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Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung für ein Lautsprechersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Lautsprechersysteme bilden Satelliten-Subwoofer-Systeme, bei welchen als Hochton-Lautsprecher wenigstens ein Satellit und als Tiefton-Lautsprecher wenigstens ein Subwoofer eingesetzt wird. Bei Stereo-Anordnungen ist typischerweise ein Subwoofer vorgesehen, der mit mehreren, vorzugsweise zwei Satelliten, kombiniert wird.
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Derartige Lautsprechersysteme sind in verschiedensten Ausbildungen und Anordnungen im Einsatz. Dabei kann durch hochwertige Lautsprecher das Klangverhalten des Lautsprechersystems zwar generell verbessert werden. Jedoch ist auch bei sehr hochwertigen Lautsprechersystemen dennoch ein noch nicht zufrieden stellendes Klangverhalten hinsichtlich der Wiedergabe von Bässen festgestellt worden. Dieser unerwünschte Effekt wird in Fachkreisen als lahmer Bass bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels derer das Klangverhalten eines Lautsprechersystems weiter verbessert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Anführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung für ein Lautsprechersystem umfasst eine Frequenzweiche, bei welcher ein in einem Generator generiertes Eingangssignal wenigstens einer Hochtongruppe mit einer Anordnung von Hochpässen und wenigstens einer Tieftongruppe mit einer Anordnung von Tiefpässen zugeführt ist. Die Hochtongruppe weist ein Verzögerungsglied auf. Die Ausgangssignale der Hochtongruppe und Tieftongruppe werden mit unterschiedlichen Vorzeichen zu einem Gesamtsignal addiert. Dabei sind die Filter-Eckfrequenzen und Filter-Güten der Hochtongruppe und der Tieftongruppe an die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds angepasst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der mit einer Frequenzweiche arbeitenden Filteranordnung bei tieffrequenten Signalen, insbesondere Signalen unterhalb etwa 100 Hz, eine Signalverzögerung gegenüber höherfrequenten Signalen auftritt, die klanglich als störend empfunden wird. Diese „group delay” genannte Signalverzögerung hat ihre Ursache in der bei sämtlichen derartigen Filteranordnungen vorgenommenen und praktisch unverzichtbaren steilen Filterung von tieffrequenten Signalen.
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Es hat sich herausgestellt, dass diese Signalverzögerungen bei einer Trennfrequenz von 80 Hz im Millisekundenbereich liegen, typisch bis zu 7 ms, so dass die Signalverzögerungen das Klangverhalten des Lautsprechersystems deutlich beeinträchtigen, wobei insbesondere der Effekt so genannter „lahmer Bässe” auf diesen Signalverzögerungen beruht. Die gehörmäßige Erkennbarkeitsschwelle liegt für ein geschultes Ohr bei 2 ms bis 2,5 ms.
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Bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass in der Hochtongruppe ein Verzögerungsglied eingesetzt wird, mit welchem die derart verstärkten Signale gegenüber den in der Tieftongruppe verstärkten Signale gezielt so verzögert werden, dass der genannte group delay zumindest weitgehend kompensiert wird. Dabei ist für eine Kompensation des group delay weiter wesentlich, dass die Ausgangssignale der Hochtongruppe und Tieftongruppe mit unterschiedlichen Vorzeichen zu einem Gesamtsignal addiert werden.
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Um eine Anpassung an das Lautsprechersystem und an die einzelnen Komponenten der Filteranordnung zu ermöglichen, ist das Verzögerungsglied vorteilhaft einstellbar ausgebildet, so dass die mit dem Verzögerungsglied erzielte Verzögerung in geeigneter Form gewählt werden kann. Diese Einstellung erfolgt vorteilhaft während des Fertigungsprozesses, so dass typspezifisch für das jeweilige Lautsprechersystem und dessen Filteranordnung die Verzögerung vorgegeben werden kann.
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Die Filteranordnung kann dabei einerseits in Analogtechnik ausgeführt sein, wobei dann das Verzögerungsglied von einer Anordnung von Operationsverstärkern gebildet sein kann. Anderseits kann die Filteranordnung auch in Digitaltechnik ausgeführt sein, wobei dann die einzelnen Komponenten der Filteranordnung in einem digitalen Signalprozessor integriert sind.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung kann für Satelliten-Subwoofer-Systeme unterschiedlicher Ausprägungen eingesetzt werden. Dabei ist stets ein Satellit als Hochton-Lautsprecher in einer Hochtongruppe der Filteranordnung integriert und ein Subwoofer als Tiefton-Lautsprecher in einer Tieftongruppe der Filteranordnung integriert. Der oder jeder Hochton-Lautsprecher ist dabei verpolt zum jeweiligen Tiefton-Lautsprecher, so dass in Verbindung mit den Weichen, das heißt Filtereigenschaften der Filteranordnung in der Luft eine Addition der vom Hochton-Lautsprecher und Tiefton-Lautsprecher abgegebenen Schallwellen mit definierter Phasenlage und Gruppenlaufzeit erfolgt.
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Bei einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung kann in der erfindungsgemäßen Filteranordnung das Verzögerungsglied in der oder in jeder Hochtongruppe weggelassen werden. Dann kann der group delay dadurch kompensiert werden, dass der oder jeder Satellit bezüglich dem oder jedem Subwoofer nach hinten versetzt angeordnet wird. An dem Ort des Hörers werden dann die von dem oder den Satelliten abgegebenen Schallwellen mit den Schallwellen des oder der Subwoofer so addiert, dass die Klangbeeinträchtigungen durch die Signalverzögerungen, das heißt der group delay, weitgehend eliminiert sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1: Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung.
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2: Beispiel einer Filteranordnung gemäß dem Stand der Technik.
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3a: Frequenzgang der Transferfunktion der Filteranordnung gemäß 2, mit Linkwitz-Riley Filtern 4. Ordnung und Verzögerungszeiten von 0,5 ms bis 3,5 ms.
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3b: Frequenzgang der Transferfunktion einer Abwandlung der Filteranordnung gemäß 2 mit Linkwitz-Riley Filtern 4. Ordnung gegenphasig gepolt und Verzögerungszeiten von 2,5 ms bis 6,5 ms.
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3c: Frequenzgang der Transferfunktion der erfindungsgemäßen Filteranordnung gemäß 1, mit einer Verzögerungszeit von etwa 3,2 ms und einer daran perfekt angepassten Filtercharakteristik.
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4a: Frequenzgang des group delay der Filteranordnung gemäß Figur 2 mit Linkwitz-Riley Filtern 4. Ordnung und Verzögerungszeiten von 0,5 ms bis 3,5 ms.
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4b: Frequenzgang des group delay einer Abwandlung der Filteranordnung gemäß 2 mit Linkwitz-Riley Filtern 4. Ordnung gegenphasig gepolt und Verzögerungszeiten von 2,5 ms bis 6,5 ms.
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4c: Frequenzgang des group delay der erfindungsgemäßen Filteranordnung gemäß 1 mit einer Verzögerungszeit von etwa 3,2 ms und einer daran perfekt angepassten Filtercharachteristik.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1. Die Filteranordnung 1 bildet eine Frequenzweiche vierter Ordnung mit einer Eckfrequenz von etwa 80 Hz, bei welcher ein in einem Generator 2 erzeugtes Signal über eine Signalverzweigung 3 einer Hochtongruppe 4 mit einem Hochton-Lautsprecher 5 in Form eines Satelliten und einer Tieftongruppe 6 mit einem Tiefton-Lautsprecher 7 in Form eines Subwoofers zugeführt wird.
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Die Tieftongruppe 6 umfasst einen ersten Tiefpass 8 mit einer Güte im Bereich von Q = 0,5 bis Q = 0,6. Diesem ersten Tiefpass 8 ist ein zweiter Tiefpass 9 nachgeordnet, der eine Güte von etwa Q = 1,3 aufweist. Das Ausgangssignal dieser Tiefpassanordnung ist dem Tiefton-Lautsprecher 7 zugeführt.
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Die Hochtongruppe 4 umfasst einen ersten Hochpass 10 mit einer Güte im Bereich von Q = 0,4 bis Q = 0,5. Diesem ersten Hochpass 10 ist ein zweiter Hochpass 11 nachgeordnet, der eine Güte von etwa Q = 1,0 aufweist. Das Ausgangssignal dieser Hochpassordnung ist über ein Verzögerungsglied 12 dem Hochton-Lautsprecher 5 zugeführt. Das Verzögerungsglied 12 weist eine einstellbare Verzögerungszeit auf, mit der das Ausgangssignal verzögert wird. Die Verzögerungszeit liegt typisch im Bereich einiger Millisekunden. Im vorliegenden Fall beträgt die Verzögerungszeit etwa 3,2 ms.
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Der Hochton-Lautsprecher 5 und der Tiefton-Lautsprecher 7 sind gegeneinander verpolt, so dass sich nach Durchlaufen der Filter der Filteranordnung 1 die vom Hochton-Lautsprecher 5 abgegebenen Schallwellen perfekt mit den vom Tiefton-Lautsprecher 7 abgegebenen Schallwellen in der Luft summieren. Diese Summierung ist durch das Summationsglied 13 veranschaulicht.
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2 zeigt eine Filteranordnung 1a gemäß dem Stand der Technik, deren Struktur der Filteranordnung 1a gemäß 1 ähnelt. Die Filteranordnung 1a gemäß 2 bildet auch eine Frequenzweiche vierter Ordnung mit einer Eckfrequenz von etwa 80 Hz, bei welcher ein in einem Generator 2a erzeugtes Signal über eine Signalverzweigung 3a einer Hochtongruppe 4a mit einem Hochton-Lautsprecher 5a in Form eines Satelliten und einer Tieftongruppe 6a mit einem Tiefton-Lautsprecher 7a in Form eines Subwoofers zugeführt wird. Im vorliegenden Fall ist die Frequenzweiche von einer Linkwitz-Riley-Weiche gebildet.
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Die Tieftongruppe 6a umfasst einen ersten Tiefpass 8a mit einer Güte von Q = 0,7017. Diesem ersten Tiefpass 8a ist ein zweiter Tiefpass 9a nachgeordnet, der auch eine Güte von Q = 0,7071 aufweist. Das Ausgangssignal dieser Tiefpassanordnung ist dem Tiefton-Lautsprecher 7a zugeführt.
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Die Hochtongruppe 4a umfasst einen ersten Hochpass 10a mit einer Güte von Q = 0,7071. Diesem ersten Hochpass 10a ist ein zweiter Hochpass 11a nachgeordnet, der auch eine Güte von Q = 0,7017 aufweist.
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Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Filteranordnung 1a ist kein Verzögerungsglied 12a vorgesehen. Um im Folgenden der Unterschiede dem erfindungsgemäßen Filteranordnung 1 zur bekannten Filteranordnung 1a detaillierter zu zeigen, ist für die Filteranordnung 1a in der 2 auch ein Verzögerungsglied 12a dargestellt, das zwischen der Hochpassanordnung und dem Hochton-Lautsprecher 5a angeordnet ist.
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Bei der Filteranordnung 1a gemäß 2 sind die von dem Hochton-Lautsprecher 5a und Tiefton-Lautsprecher 7a nicht gegeneinander verpolt, so dass die vom Hochton-Lautsprecher 5a abgegebenen Schallwellen mit gleichen Vorzeichen in der Luft überlagert werden. Diese Überlagerung ist durch das Summationsglied 13a veranschaulicht.
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3a zeigt den Frequenzgang der Transferfunktion der Filteranordnung 1 gemäß 2, das heißt den Frequenzgang der Verstärkung der Hochtongruppe 4 (in 2 mit I bezeichnet) und der Verstärkung der Tieftongruppe 6a (in 2 mit II bezeichnet). 3a zeigt die Flanken der Verstärkungen I, II oder Hochpass- beziehungsweise Tiefpassanordnung bei der Eckfrequenz von etwa 80 Hz. Die mit III bezeichnete Kurvenschar bezeichnet die Summe beider Verstärkungskurven. Dabei wurde zu der Anordnung der bekannten Linkwitz-Riley-Weiche in 2 zusätzlich ein Verzögerungsglied 12a in der Hochpassanordnung eingefügt, wobei die einzelnen Kurven der Kurvenschar III die Summe der Verstärkungen für unterschiedliche Verzögerungszeiten zeigt, welche im Bereich von 0,5 m (unterste Kurve der Kurvenschar) bis 3,5 ms (oberste Kurve der Kurvenschar) variieren.
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3b zeigt den Frequenzgang der Transferfunktion für die Filteranordnung 1a gemäß 2 mit der Abwandlung dahingehend, dass die von der Hochtongruppe 4a und Tieftongruppe 6a generierten Signale, dass heißt die vom Hochton-Lautsprecher 5a und Tiefton-Lautsprecher 7a abgegebenen Schallwellen nicht mit gleichen sondern mit unterschiedlichen Vorzeichen addiert werden, das heißt 3a zeigt den Fall einer Abwandlung der Filteranordnung 1a der 2 in Richtung der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1 gemäß 1. Wiederum ist mit III die Kurvenschar bezeichnet, die die Summe der Verstärkungskurven bildet, und zwar für Verzögerungszeiten im Bereich von 2,5 ms (unterste Kurve der Kurvenschar) bis 6,5 ms (oberste Kurve der Kurvenschar).
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Der Vergleich der 3a und 3b zeigt Unterschiede bei der Struktur des Summensignals bis zu –5 dB.
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3c zeigt den Frequenzgang der Transferfunktion der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1. Dabei ist mit I die Verstärkungsfunktion der Hochpassanordnung der Hochtongruppe 4 und mit II die Verstärkungsfunktion der Tiefpassanordnung der Tieftongruppe 6 bezeichnet. Auch hier liegt die Eckfrequenz bei 80 Hz. Wie aus Figur III ersichtlich, ergibt die Addition beider Verstärkungsfunktionen ein nahezu konstantes Summensignal, und zwar besser als –0,25 dB.
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4a zeigt das zu 3a zugehörige Schaubild des Frequenzgangs des group delay. Die unterste Kurve in 4a (bezeichnet mit a) zeigt den Frequenzverlauf der aus dem Stand der Technik bekannten Linkwitz-Riley-Weiche, das heißt der Filteranordnung 1a gemäß 2 ohne das Verzögerungslied 12a. Wie aus 4a ersichtlich, liegt der group delay bei tiefen Frequenzen (unterhalb der Eckfrequenz) bei 6 ms. Dagegen beträgt der group delay bei hohen Frequenzen (signifikant über der Eckfrequenz) 0 ms. Dies bedeutet, dass die tiefen Frequenzen des Subwoofers um 6 ms gegenüber den hohen Frequenzen des Satelliten verzögert sind, was zu einer Klangbeeinträchtigung des Lautsprechersystems führt, dass heißt zum Auftreten eines „lahmen Basses”.
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Wird bei der Linkwitz-Riley-Weiche ein Verzögerungsglied 12a hinzugefügt (wie in 2 dargestellt) so ergeben sich für diese Filteranordnung 1a je nach Größe der Verzögerungszeit die zweiten, mit b bezeichneten Kurven der Kurvenschar in 4a. Wie aus dem Vergleich der Kurven b der Kurvenschar mit der Kurve a für die Linkwitz-Riley-Weiche folgt, ergibt auch die bloße Hinzufügung dieses Verzögerungsglieds 12 zu der noch keine zufriedenstellende Klangverbesserung des Lautsprechersystems, da auch dann noch immer ein großer Unterschied des group delay der Tieftongruppe 6, das heißt das Subwoofers im Vergleich zur Hochtongruppe 4, das heißt zum Satelliten, vorliegt, dass heißt eine große Signalverzögerung der Schallwellen des Subwoofers relativ zum Satelliten.
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4b zeigt das zu 3b zugehörige Schaubild des Frequenzgangs des group delay. Die mit a bezeichnete Kurve ist identisch mit der Kurve a aus 4a und dient allein zur Vergleichszwecken.
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Die mit b bezeichneten Kurven zeigen die Kurvenschar für unterschiedliche Verzögerungszeiten eines Verzögerungsglieds 12 in der modifizieten Linkwitz-Riley-Weiche. Wie aus der Kurvenschar b ersichtlich, kann durch das Verzögerungsglied 12 die Signalverzögerung des Summensignals der Schallwellen des Subwoofers und der Schallwellen des Satelliten zwar reduziert werden, jedoch ergeben sich im Frequenzverlauf des group delay (wie auch bei der Transferfunktion) im Bereich der Eckfrequenz unerwünscht große Welligkeiten, die als Verfärbungen des Klangbilds hörbar sind.
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4c schließlich zeigt das zu 3c zugehörige Schaubild des Frequenzgangs des group delay für die erfindungsgemäße Filteranordnung 1. Dabei zeigt die mit A bezeichnete Kurve den nicht renormierten group delay und die mit B bezeichnete Kurve den group delay abzüglich eines frequenzunabhängigen Offset-Werts.
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Die Kurve B in 4c zeigt, dass der group delay für tiefe Frequenzen unterhalb der Eckfrequenz, dass heißt für die Tieftongruppe 6 der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1 bei weniger als 2,0 ms liegt, während der group delay bei Frequenzen oberhalb der Eckfrequenz, das heißt für die Hochtongruppe 4 bei 0 ms liegt. Die Differenz hieraus ergibt die Signalverzögerung der Schallwellen des Subwoofers und der Schallwellen des Satelliten. Diese Signalverzögerung beträgt nun nicht mehr wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Linkwitz-Riley-Weiche mehr als 6 ms, sondern weniger als 2 ms. Damit aber ist das Klangverhalten der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1 gemäß 1 gegenüber der Linkwitz-Riley-Weiche gemäß 2 signifikant verbessert, weil die Gruppenlaufzeiten unter die Erkennungs-Schwelle erfahrener Hörer gedrückt werden können.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung 1. Die Filteranordnung 1 gemäß 5 stellt eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß 1 dahingehend dar, dass diese ein Stereosystem mit einem Subwoofer und zwei Satelliten betrifft.
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Bei der Filteranordnung 1 der 5 sind zwei Generatoren 2 vorgesehen, wobei die von den Generatoren 2 generierten Signale über jeweils eine Signalverzweigung 3 auf ein Summationsglied 14 geführt sind, in welchem die Signale mit gleichen Vorzeichen addiert werden. Das am Ausgang des Summationsglieds 14 anstehende Signal wird einer Tieftongruppe 6 zugeführt, welche der Tieftongruppe 6 der Ausführungsform gemäß 1 entspricht. Dementsprechend weist die Tieftongruppe 6 einen ersten Tiefpass 8 mit eine Güte im Bereich von Q = 0,5 bis Q = 0,6 auf. Diesem Tiefpass 8 ist ein zweiter Tiefpass 8 nachgeordnet, der eine Güte von etwa Q = 1,3 aufweist. Das Ausgangssignal dieser Tiefpassanordnung ist dem Tiefton-Lautsprecher 7, dass heißt dem Subwoofer zugeführt.
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Weiterhin sind die Signale jedes Generators 2 über die zugeordnete Signalverzweigung 3 direkt jeweils einer Hochtongruppe 4 zugeführt, deren Aufbau dem der Hochtongruppe 4 der Filteranordnung 1 gemäß 1 entspricht.
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Dementsprechend umfasst jede Hochtongruppe 4 einen ersten Hochpass 10 mit einer Güte im Bereich von Q = 0,4 bis Q = 0,5. Diesem ersten Hochpass 10 ist ein zweiter Hochpass 11 nachgeordnet, der eine Güte von etwa Q = 1,0 aufweist. Das Ausgangssignal jeder Hochpassanordnung ist über ein Verzögerungsglied 12 dem Hochton-Lautsprecher 5, dass heißt dem Satelliten zugeführt. Die identisch ausgebildeten Verzögerungsglieder 12 der Hochtongruppen 4 weisen entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 eine einstellbare Verzögerungszeit auf, mit der das Ausgangssignal der jeweiligen Hochpassanordnung verzögert wird. Die Verzögerungszeit liegt wieder im Bereich einiger Millisekunden, bevorzugt bei etwa 3 ms.
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Die Hochton-Lautsprecher 5 sind gegenüber dem Tiefton-Lautsprecher 7 verpolt, so dass die von den Hochton-Lautsprechern 5 abgegebenen Schallwellen einerseits und die vom Tiefton-Lautsprecher 7 abgegebenen Schallwellen andererseits optimal in der Luft summiert werden, was wiederum durch das Summationsglied 13 veranschaulicht ist.
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Mit der Filteranordnung 1 der 5 wird eine zu der Ausführungsform gemäß 1 entsprechende Klangverbesserung erzielt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filteranordnung
- 1a
- Filteranordnung
- 2
- Generator
- 2a
- Generator
- 3
- Signalverzweigung
- 3a
- Signalverzweigung
- 4
- Hochtongruppe
- 4a
- Hochtongruppe
- 5
- Hochton-Lautsprecher
- 5a
- Hochton-Lautsprecher
- 6
- Tieftongruppe
- 6a
- Tieftongruppe
- 7
- Tiefton-Lautsprecher
- 7a
- Tiefton-Lautsprecher
- 8
- Tiefpass
- 8a
- Tiefpass
- 9
- Tiefpass
- 9a
- Tiefpass
- 10
- Hochpass
- 10a
- Hochpass
- 11
- Hochpass
- 11a
- Hochpass
- 12
- Verzögerungsglied
- 12a
- Verzögerungsglied
- 13
- Summationsglied
- 13a
- Summationsglied
- 14
- Summationsglied
