Moin,
ich möchte hier gerne den "genrellen" (soweit möglich) Aufbau einer passiven Frequenzweiche diskutieren und anhand eines persönlichen Beispieles dann dokumentieren.
Ich weiß, dass es zu dieser Thematik natürlich schon etliche Anfragen gab. Das hier eröffnete Thema soll aber nicht unbedingt eines von denen werden, bei denen ich euch nach Bauteilen frage und ihr mir dann sagt, dass das abhängig von den verwendeten Lautsprechern ist :wink: ...
Vielmehr soll das eine angeregte Diskussion sein bei der jeder mal seinen mehr oder weniger scharfen Senf zu abgeben darf. Das Ziel ist es einen etwaigen Verlauf zum Design einer passiven Weiche am Ende herauszustellen, sodass vielleicht bei anderen Anfragen auf dieses Thema verwiesen werden kann.
Es gibt Literatur zum Bau von passiven Frequenzweichen mit denen man die Realisierung vornehmen kann. Ich fände es aber ganz schön hier auch ein paar praktische Erfahrungen von Leuten, die bereits passive Weichen gebaut haben, mit einfließen zu lassen.
Zur anschließenden Realisierung : im Rahmen meines Hörtechnik+Audiologie-Studiums werde ich ein Praktikum in diesem Bereich absolvieren. Ich habe einen elektrotechnischen Betrieb gewählt, der sich neben dem Verstärkerbau auch mit dem Design passiver und aktiver Lautsprecher auseinandersetzt. Im Rahmen diese Praktikums darf ich ein eigenes Projekt verwirklichen, das wäre bei mir der Bau einer passiven Frequenzweiche für meine Topteile bestehend aus 18Sound 15MB700 am Limmer 085 + 18Sound ND1480A am XT-1464-Horn.
Mir stehen in dem Betrieb dann auch die Möglichkeiten unter anderem der Frequenzgang- und Impedanzmessung zur Verfügung.
Aber vorher würde ich erstmal das Vorgehen diskutieren, erstmal meine Idee, dann gern eure Vorschläge und Kommentare.
Etwas Theorie : (wer keine Lust hat das zu lesen einfach den kursiven Text überspringen)
Passive Hochpass- und Tiefpassfilter 1. und 2. Ordnung haben feste, komplexe Übertragungsfunktionen. Der Verlauf des Betrages und der Phase lassen sich somit errechnen.
Der passive Tief-/Hochpass 1. Ordnung besteht aus einem Kondensator(C) und einem Widerstand(R) in Reihe, oder aber einer Spule(L) und einem Widerstand in Reihe. Es gibt also zwei Möglichkeiten einen Tief/-Hochpass 1. Ordnung zu realisieren, entweder mit C+R oder mit L+R. je nachdem wo man die Spannung abnimmt erhält man den gewünschten Filter. Bei R+C wäre das bei der Spannungsabnahme über R ein Hochpass, über C ein Tiefpass. Bei der Spule ist es andersherum. je nach gewünschter Trennfrequenz macht es mehr Sinn eine Spule statt einem Kondensator (oder umgekehrt) zu wählen. Die Trennfrequenz lässt sich hier mit einfachen Formeln berechnen (omega = 1/(R*C) beim Kondensatorbeispiel, man beachte noch, dass omega die Kreisfrequenz mit omega = 2*pi*f sei)
Der passive Tief-/Hochpass 2. Ordnung ist ein Schwingkreis aus L, R und C, je nachdem ob man die Spannung, die an L oder C abfällt, verwendet, erhält man einen Tiefpass (C) oder einen Hochpass (L). Wenn man die Spannung, die über R abfällt hernimmt, erhält man einen Bandpassfilter. Die sogenannte Resonanzfrequenz lässt sich auch hier noch recht einfach berechnen (omega = 1/sqrt(L*C)), nun spielt aber beim Schwingkreis auch die sogenannte Güte, die sich aus dem Verhältnis von R L und C ergibt, eine Rolle (Q = sqrt(L*C)/(L*C)). Die Güte gibt vereinfacht gesagt die Verstärkung bei der Trennfrequenz an. Eine Güte von 0,707 (1/sqrt(2)) wären logarithmiert mit Bezugswert 1 die bekannten -3 dB. Eine Güte von 1,414 (sqrt(2)) wären +3 dB bei der Trennfrequenz, also sogar eine Überhöhung. Ist also etwas komplexer, aber hält sich im Rahmen.
Ein Filter 3. Ordnung ist eine Reihenschaltung eines Filters 2. und 1. Ordnung (Filterordnung 4 ... u.s.w.)
Schaltet man also eine Kondensator in Reihe zu einem Lautsprecher mit dem Widerstand R über dem dann eine von der Frequenz abhängige Spannung abfällt, dann erhält man also einen Hochpass 1. Ordnung, mit einer Spule in Reihe erhält man einen Tiefpass.
So weit so gut. Bisher ja alles noch "recht" greifbar.
Es ergbit sich aber, dass die Betragsfunktion, also der Frequenzverlauf, natürlich abhängig vom Widerstand R ist. Das Problem was nun auftritt ist, dass ein Lautsprecher kein rein reeller Widerstand ist, sondern einen frequenzabhänngigen Widerstand (Impedanz) besitzt. d.h. je nach Eingangsfrequenz ändert sich der Wert des Widerstandes R, über dem die Spannung abfällt, und somit auch die Betragsfunktion. Das ist ein Problem, denn nun wird das Errechnen des letztendlichen Filterverlaufes gleich doppelt kompliziert. Aber machbar, dafür gibt es auch Programme, oder man rechnet es eben selbst anhand einiger Werte aus.
Das Erste was man also meiner Meinung nach machen muss um eine gute passive Weiche entwerfen zu können : die Impedanz der Lautsprecher im eingebanten Zustand messen und nicht pauschal bei jeder Frequenz mit 4, 8 oder 16 Ohm, je nach Lautsprecher, zu rechnen.
Die von Lautsprecher zu Lautsprecher verschiedenen Impedanzverläufe sind auch der Grund warum passive Fertigweichen aus Ebay und Konsorten meistens nicht das gewünschte Ergebnis erbringen.
Desweiteren ist aber neben dem Impdedanzverlauf natürlich auch noch der tatsächliche Frequenzverlauf des Lautsprechers wichtig. Dieser muss mit beachtet werden, da das Ausrechnen einer Filterfunktion von einem völlig geraden Frequenzverlauf ausgeht, der in der Realität natürlich nicht existiert.
Damit hätten wir also meiner Meinung nach schonmal die nötigen Messungen, die man benötigt :
- Impedanzmessung der Lautsprecher im eingebauten Zustand
- Frequenzgangmessung der Lautsprecher in eingebautem Zustand
Die Frequenzgangmessung sollte man bei verschiedenen Winkeln vornehmen, also mehrere Frequenzmessungen machen, eine auf Achse, mehrere neben der Achse, wenn man genau sein will auch in beide Richtungen (also links und rechts von der Achse). Erste Frage : 10°-Schritte, oder was würdet ihr sagen? Die Messungen neben der Achse dienen zum Messen des frequenzabhängigen Abstrahlwinkels, der sollte bei der Trennfrequenz bei beiden Lautsprechern nach Möglichkeit recht gleich sein, da man sonst neben der Achse auf einmal Ungleichmäßigkeiten im Frequenzverlauf erhält.
Bedingungen für die Messungen : schön wäre Freifeld, also ohne Reflexionen. Das geht natürlich eher nicht. Ein schallarmer Raum wäre gut (Freifeldnachbildung in einem gewissen Frequenzbereich), im Diffusfeld kann man auch messen, die Nachhallzeit sollte hier meiner Meinung nach klein sein, der Raum aber eher nicht, also muss viel Schallabsorption in den Raum rein, damit der Hallradius (Radius an dem der Diffusschallpegel gleich dem Direktschallpegel ist) groß ist. Dann nah an die Box ran, aber auch nicht zu nah. ist der Hallradius deutlich größer als diese Entfernung, dann kann man davon ausgehen, dass man vornehmlich den Direktschall des Lautsprechers aufnimmt.
Das mit dem richtigen Messen ist bei mir noch recht unausgereift, das kommt alles in den folgenden Semestern, über Anmerkungen bezgl. Denkfehler o.ä. freue ich mich daher natürlich.
Bei genanntem, erstmal namenlosem ;-), Betrieb steht mir ein schallarmer raum zur Verfügung, der Noppenschaumstoff ist aber ziemlich ... niedlich, glaube nicht, dass man damit unter 500 Hz noch brauchbare Absorption / Dissipation erzielen kann.
kalibrierte Messapparatur sollte klar sein.
Jetzt meine Idee zum Design : Man entwirft über aktive Trennung und Frequenzgangmessungen eine optimale Filterstruktur (+ Schalldruckanpassung) und versucht diese dann passiv mit der aufgenommenen Impedanzmessung und verschiedenen Bauteilwerten am PC nachzubauen (vorzugsweise über ein geeignetes Programm). 100%ig wird man das nie hinbekommen, hier wird es wohl 2-3 Anläufe brauchen bis man das gewünschte Ergebnis hinbekommt, besonders da die Phasenverläufe der passiven Filter auch anders aussehen werden und man für bestmögliche Addition bei der Trennfrequenz deswegen recht lang rumspielen muss.
hat man das alles hinter sich gebracht und sichergestellt, dass es die benutzten Bauteilwerte auch zu kaufen gibt (
...), hat man aber doch eigentlich eine passive Weiche entworfen.
Man kann natürlich auch durch Try'n'error rein passiv einen Filter entwerfen, dazu braucht man aber einen im besten Fall recht großen Bauteilpark.
Okay, soweit von mir bis hierhin. Leider viel text, hoffe es stört nicht zu arg... Jetzt gerne ihr... ![]()
LG - Hagen