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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Schallerzeugung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es sind bereits derartige Vorrichtungen
bekannt, die in HiFi-Anlagen als Boxen bezeichnet werden. Diese
Boxen weisen mehrere einzelne Lautsprecher auf, deren akustisches Übertragungsverhalten
für unterschiedliche
Frequenzbereiche optimiert ist. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt,
Tieftöner
einzusetzen in Kombination mit einem Mittel-/Hochtöner. Eine
solche Box wird als Zwei-Wege-Box bezeichnet, weil sie zwei Lautsprecher
aufweist. Es ist ebenso bekannt, anstelle eines Mittel-/Hochtöners nochmals
zwei Lautsprecher einzusetzen und damit einen Lautsprecher für den mittleren
Frequenzbereich zur Verfügung
zu haben und einen separaten Lautsprecher für den oberen Frequenzbereich.
Eine solche Box wird wegen der Verwendung von drei Lautsprechern
als Drei-Wege-Box bezeichnet.
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Die elektrischen Signale, die den
einzelnen Lautsprechern zugeführt
werden, werden mittels elektrischer Filter getrennt. Von den Signalen
eines Verstärkers
werden mittels eines Tiefpassfilters die Signale herausgefiltert,
die dem Tieftöner
zugeführt
werden. Mittels eines Hochpassfilters werden die Signale heraus
gefiltert, die dem Mittel-/Hochtöner
bzw. dem Hochtöner
zugeführt
werden. Bei einer Drei-Wege-Box werden die Signale, die dem Mitteltöner zugeführt werden,
mittels eines Bandpassfilters heraus gefiltert. Die Filter werden auch
als Frequenzweiche bezeichnet.
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Es gibt zum einen das Konzept, voll
klingende tiefe Töne
im Bassbereich zu erzeugen, indem die Trennfrequenz für den Tieftöner tief
angelegt wird, so dass ein Tieftöner
als Lautsprecher eingesetzt werden kann, der besonders im Bereich
der tiefen Töne
voll klingt. Auf Grund der Dimensionierung derartiger Lautsprecher
sprechen diese allerdings eher langsam an. Auf der anderen Seite
ist auch ein Konzept bekannt, bei dem die Trennfrequenz höher angelegt
wird. Dadurch ergibt sich eine kleinere Dimensionierung des Tieftöners, was dazu
führt,
dass dieser schneller anspricht. Allerdings klingen die tieferen
Töne dann
nicht mehr ganz so voll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
das Problem zu Grunde, einen Lautsprecher vorzuschlagen, der hinsichtlich
seiner Klangeigenschaften verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden
Erfindung gelöst,
indem eine Aufteilung in wenigstens einen ersten akustischen Frequenzbereich
bis zu einer oberen Frequenz von weniger als 1.500 Hz erfolgt und wenigstens
einen weiteren Frequenzbereich oberhalb dieser oberen Frequenz,
wobei die Ansteuerung des Lautsprechers bzw. der Lautsprecher für den akustischen
Frequenzbereich bzw. die akustischen Frequenzbereiche oberhalb dieser
oberen Frequenz zeitlich verzögert
ist gegenüber
der Ansteuerung des Lautsprechers bzw. der Lautsprecher für den akustischen
Frequenzbereich bzw. die akustischen Frequenzbereiche unterhalb dieser
oberen Frequenz.
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Lautsprecher wandeln elektrische
Energie in akustische Energie und Wärmeenergie um. Bei Lautsprechern
erfolgt die Umwandlung in hörbaren
Schall mit Hilfe des Magnetismus. Dabei befindet sich im Zentrum des
Lautsprechers ein Permanentmagnet, der ein Magnetfeld erzeugt. Auch
Elektromagnete (z.B. stromdurchflossene Drahtspulen) erzeugen ein
Magnetfeld. Dieser Effekt wird bei dynamischen Lautsprechern genutzt. Ein
Elektromagnet, d.h. die Schwingspule, befindet sich dazu im Energiefeld
eines starken Permanentmagneten. An der Schwingspule ist die Lautsprechermembran
befestigt, die alle Bewegungen der Spule mit vollziehen muss. Je
nachdem ob eine positive oder negative Spannung angelegt wird bewegt
sich die Membran nach vorne bzw. nach hinten. Dieser Vorgang ist
auf das Anziehen bzw. Abstoßen
zweier Magnete abhängig
von deren Polung zurückzuführen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wurden
eine niedrig angesetzte Trennfrequenz gewählt, wobei das zeitliche Ansprechverhalten
der Lautsprecher aufeinander abgestimmt wird. Es hat sieh gezeigt,
dass es auf Grund der Dimensionierung der Lautsprecher bei niedriger
Trennfrequenz zu einer zeitlichen Verzögerung kommt zwischen dem Mittel-/Hochtöner bzw.
dem Mitteltöner
und dem Hochtöner
einerseits und dem Tieftöner andererseits.
Dies ist durch die Dimensionierung des Tieftöners begründet. Indem die Lautsprecher
der oberen akustischen Frequenzen mit einer zeitlichen Verzögerung angesteuert
werden, können
vorteilhaft aktustische Phasenverschiebungen zwischen den Lautsprechern
auf Grund deren unterschiedlicher Größenausdehnungen ausgeglichen
werden.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die
Kombination der Maßnahme,
eine tiefe Trennfrequenz zu wählen und
den bzw. die Lautsprecher des oberen Frequenzbereiches bzw. der
oberen Frequenzbereiche mit einer zeitlichen Verzögerung anzusteuern,
zum einen ein voll klingender Bass erreichbar war und zum anderen
ein insgesamt gutes zeitliches Ansprechverhalten der Box insgesamt
festzustellen war.
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Insbesondere ergibt sich auf Grund
der tiefen Trennfrequenz und der damit verbunden Dimensionierung
des Tieftöners
sowie der sich ergebenden Wellenlänge der akustischen Frequenz
des Tieftöners,
dass der geometrische Abstand zwischen dem Mittel-/Hochtöner sowie
dem Tieftöner
(oder ggf. zwischen dem Mitteltöner,
dem Hochtöner
und dem Tieftöner)
kleiner wird als die Wellenlänge,
die der Trennfrequenz entspricht. Für den Hörer wird daher die Box insgesamt
als Punktschallquelle wahrnehmbar, was die räumliche Wirkung des Klangs
wiederum verbessert. Liegt beispielsweise die obere Frequenz bei
700 Hz, ergibt sich eine Wellenlänge
des Schalls von 50 cm. Wenn also ein Tieftöner mit einem Durchmesser von
20 cm Verwendung findet, ist der Abstand zwischen Tieftöner und
Mittel-/Hochtöner
immer noch um den Faktor 3 geringer als die Wellenlänge des
Schalls bei der oberen Frequenz. Für den Hörer ist dies daher als Punktschallquelle
wahrnehmbar, was zu einem guten Raumklang führt.
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Bei einer nochmaligen Trennung des
Mitteltöners
von dem Hochtöner
werden die einzelnen Lautsprecher wiederum eine unterschiedliche
Dynamik im Ansprechverhalten haben. Es ist daher auch möglich, die zeitliche
Verzögerung
der Ansteuerung der beiden Lautsprecher für den oberen Frequenzbereich
nochmals unterschiedlich auszugestalten und den Hochtöner dann
nochmals zeitlich verzögert
anzusteuern gegenüber dem
Mitteltöner.
Es sei aber darauf hingewiesen, dass der Effekt in der Hauptsache
auf der Verzögerung
in der Dynamik des Tieftöners
beruht und dass die beschriebene Maßnahme der unterschiedlichen
zeitlichen Verzögerung
der Ansteuerung des Mitteltöners
und des Hochtöners
als ergänzende
Maßnahme
anzusehen ist.
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Je breiter der Abstrahlwinkel desto
besser wird auch die räumliche
Abbildung des Lautsprechers. Es hat sich bei dem vorliegenden Konzept
gezeigt, dass die entwickelte Box selbst unter einem Winkel von
neunzig Grad noch einen guten Schalldruckfrequenzgang aufweist,
der weitestgehend frei ist von Überhöhungen und
Senken. Erreicht wird dies durch die tiefe Trennfrequenz zwischen
Tief- und Hochtöner.
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Für
beide Treiber gilt: fmax = c/d wobei: c = 344m/s
= Schallgeschwindigkeit, d = effektiver
Membrandurchmesser (in m)
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Die maximal zulässige Frequenz fmax hängt vom
Durchmesser der Membran ab. Soll ein Lautsprecher Frequenzen reproduzieren,
deren Wellenlänge
kleiner ist als sein Membrandurchmesser, gelingt es nur noch einem
Teil der Membran, die Bewegungen der Schwingspule direkt mit zu
vollziehen.
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Oberhalb von fmax beginnt der Lautsprechertreiber
zu bündeln.
Speziell beim Hochtöner,
der auch oberhalb von finax arbeiten muss, ergibt sich ein prinzipbedingter
Schwachpunkt fast aller Lautsprecherkonstruktionen. Ein Hochtöner mit
einem effektivem Membrandurchmesser von 28 Millimetern bündelt ab:
fmax
= 344(m/s)/0.028(m)=12285.7 Hz
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Deswegen kann ein 28 mm Kalottenhochtöner die
Oktave zwischen 10 kHz und 20 kHz nur noch gerichtet abstrahlen.
Wählt man
einen Hochtöner
mit einem Durchmesser von 19 Millimetern kann man fmax auf ca 18000
Hz vergrößern, aber
einen solchen Hochtöner
kann man nicht bei Frequenzen unterhalb von ca. 3000 Hz einsetzen.
Eine näherungsweise
Punktschallquelle lässt
sich mit einem solchen Hochtöner
nicht realisieren.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
2 wird eine Unterteilung in zwei Frequenzbereiche vorgenommen.
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Es hat sich gezeigt, dass damit ein
guter Klang erzielbar wird. Es wird ein kombinierter Mittel-/Hochtöner verwendet,
was den Aufbau der Box vereinfacht gegenüber einer nochmaligen Trennung
des Mitteltöners von
dem Hochtöner.
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Nach Anspruch 3 liegt die obere Frequenz
unter 1.000 Hz.
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Insbesondere bei einer Trennfrequenz
von etwa 700 Hz hat sich gezeigt, dass sich ein gutes Klangverhalten
ergibt. Die Dimensionierung der Box ergibt sich dann so, dass diese
in guter Näherung
als Punktschallquelle wahrgenommen wird.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
4 ist die zeitliche Verzögerung
durch ein Totzeitglied realisiert.
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Diese Maßnahme eignet sich insbesondere
bei einer digitalen Ansteuerung der Lautsprecher. Es kann dann vergleichsweise
einfach die Totzeit für
die Lautsprecher des oberen Frequenzbereiches ermittelt werden aus
der verzögerten
Dynamik, mit der der Tieftöner
anspricht.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
5 ist die zeitliche Verzögerung
durch ein Allpassglied realisiert.
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Damit ergibt sich eine vergleichsweise
einfache Möglichkeit,
die zeitliche Verzögerung
bei einer analogen Schaltung zur Ansteuerung der Lautsprecher zu
realisieren. Der Allpass weist vorteilhaft eine Mittenfrequenz auf,
die unterhalb der oberen Frequenz liegt.
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Mit dem Allpass wird ein Totzeitglied
im Phasengang angenähert.
Das bedeutet, dass das elektrische Verhalten vergleichbar ist. Das
akustische Verhalten entspricht dann in Folge dem elektrischen Verhalten.
Die Änderung
der Sprungantwort im Einschwingvorgang ergibt sich dann durch die
Verwendung des Allpass. Insgesamt ergibt sich also eine phasenoptimierte
näherungsweise
Punktschallquelle.
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Liegt die obere Frequenz beispielsweise
bei 700 Hz, kann die Mittenfrequenz des Allpasses vorteilhaft bei
etwa 500 Hz liegen.
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Damit der Allpass, der frequenzabhängig verzögert, optimal
funktioniert, sollte der Hochtöner
impedanzlinearisiert werden. Der Allpass kann beispielsweise mit
P-SPICE simuliert und auf den Hochtöner optimiert werden. Um den
Hochtöner
also in einer Allpassbrückenschaltung
zu betreiben, ist eine Impedanzlinearisierung mit einem Reihenschwingkreis
parallel zum Treiber sinnvoll. Es kann dafür noch einen weiteren Grund
geben. wenn der Hochtöner
bis in die Nähe
seiner Resonanzfrequenz betrieben wird (das geht nur mit Hochtönern ohne
Ferrofluid). Das vorgeschaltete Filter sollte dann eine konstante
Impedanz „sehen", damit das Filter
auch optimal arbeiten kann.
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Eine Linearisierungsschaltung kann
aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes, eines Kondensators
und einer Spule bestehen, die dem Mittel-/Hochtöner bzw. dem Mitteltöner und/oder
dem Hochtöner
parallel geschaltet ist. Die Bauteiledimensionierung kann mit einem
Simulationsprogramm durchgeführt
werden.
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In dem Ausführungsbeispiel ergab sich ein
Widerstand von 3,9 Ohm, eine Kapazität des Kondensators von 47 μF und eine
Induktivität
der Spule von 2,7 mH.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
6 ist das Allpassglied eine Allpassbrückenschaltung.
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Damit ergibt sich nochmals ein einfacher
Aufbau der analogen Schaltung. Der Mittel/Hochtöner bzw. der Mitteltöner sowie
der Hochtöner
stellen dabei die Last der Brücke
dar.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
7 sind zwei Allpassglieder vorgesehen, die kaskadiert geschaltet
sind.
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Es hat sich bei dieser Ausführungsform
ein besonders gutes Klangergebnis gezeigt. Mit dem kaskadierten
Allpass wird eine nochmals verbesserte Annäherung an ein Totzeitglied
im Phasengang erreicht.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
8 ist eine zeitliche Verzögerung
der akustischen Signale im höheren
Frequenzbereich beim Hörer
realisiert, indem der Lautsprecher bzw. die Lautsprecher, die die
Frequenzen in dem höheren
Frequenzbereich bzw. in den höheren
Frequenzbereichen abstrahlen, in Richtung der Klangabstrahlung zurück versetzt
sind gegenüber
dem Lautsprecher bzw. den Lautsprechern im tieferen Frequenzbereich.
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Damit kann nochmals durch die Geometrie
der Lautsprecherbox die zeitliche Verzögerung unterstützt werden,
mit der die von den Lautsprechern des oberen Frequenzbereichs bzw.
der oberen Frequenzbereiche ausgesandten Signale beim Hörer ankommen.
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Ein Tieftöner braucht ein Gehäuse, um
einen akustischen Kurzschluss durch Interferenzen mit reflektierten
Wellen von einer Zimmerwand zu vermeiden. Um ein gutes Abstrahlverhalten
zu erzielen, sollte das Gehäuse
nicht zu breit sein. Bei geraden Gehäusen (keine schräge Schallwand)
ohne stark abgeschrägte
Seitenkanten kommt es im oberen Mitteltonbereich zu Interferenzen
(verbunden mit einer Senke im Schalldruckfrequenzgang bei ca. 3
kHz, auf der Achse gemessen). Die schräge Schallwand hat derlei Probleme
nicht. Der Hochtöner,
der nun nicht mehr auf Achse (0 Grad) sitzt sondern unter einem
Winkel von z.B. 20 Grad abstrahlt sollte noch eine genügend hohe
Grenzfrequenz und einen linearen Frequenzgang haben. Im Zusammenhang mit
der Erfindung besteht ein weitere Vorteil der schrägen Schallwand
darin, dass der im Zeitbereich „zu schnelle" Hochtöner am Ort
des Hörers
eine von der Frequenz unabhängige
Totzeit aufweist.
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In dem untersuchten Ausführungsbeispiel
war eine Neigung der Schallwand um einen Winkel von 20 Grad möglich, da
sonst die obere Grenzfrequenz des Hochtöners stark abnimmt (wegen Bündelung).
Der mechanische Tiefenversatz zwischen Tief- und Hochtöner beträgt 55 mm.
Daraus ergibt sich für
den Hochtöner eine
zeitliche Verzögerung
gegenüber
dem Tieftöner
von:
Die Zeitverzögerung des
Hochtöners
beträgt
0,1599 ms.
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Die vorliegende Erfindung kann unabhängig von
anderen Kriterien sinnvoll zum Einsatz kommen, die bei der Auslegung
einer Box zu Grunde gelegt werden. Eine Darstellung der Kriterien
kann beispielsweise auch dem Lautsprecherhandbuch von Berndt Stark
entnommen werden, das im Pflaumverlag in München erschienen ist.
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Eines dieser Kriterien ist der Schalldruckfrequenzgang
des Lautsprechers, der neben dem Zeitverhalten eines der wichtigsten
Kriterien darstellt. Bei kompakten High-End-Boxen gibt es einen
Trend, der sich wie folgt beschreiben lässt:
- – Schlanker
Grundtonbereich (also wenig Pegel zwischen 200 Hz und 400 Hz) gefolgt
- – von
Pegelanstieg bei mittleren Frequenzen (also zuviel Pegel bei 1 kHz
bis 2 kHz) und
- – meist
abgesenkten Höhen.
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Zwei verschiedene Lautsprecher mit
dem selben Frequenzgang klingen noch lange nicht gleich, denn die
Art, wie dieser Frequenzgang zu Stande kommt ist entscheidend. Das
wird im Zeitverhalten (Sprungantwort) und im kumulativen Zerfallsspektrum
sichtbar, aus dem sich ergibt, ob der Lautsprecher Resonanzen hat.
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Die beschriebene Auslegung führt zu einem
sehr präzisen,
schnellen und räumlichen
Klang mit guter Ortbarkeit. Gerade bei klassischer Musik hat aber
ein vollerer Klang Vorteile, insbesondere bei den Gesangsstimmen,
wenn diese mehr Körper
haben.
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Es hat also durchaus Vorteile, wenn
alle Töne
von einem Lautsprecher zumindest näherungsweise in der gleichen
Lautstärke
wiedergegeben werden. Auch die hohen Töne sind vorteilhaft genauso
laut wie die tieferen Töne.
Bei einer entsprechenden Qualität
des Hochtöners
führt also
ein linearer Schalldruckfrequenzgang zu einem guten Klang.
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Aus diesen Ausführungen zeigt sich, dass die
vorliegende Erfindung unabhängig
von anderen Kriterien der Auslegung der Lautsprecher und der Box
zum Einsatz kommen kann.
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Bei modernen Lautsprechern liegt
die Schallwandbreite im Bereich von ca. 20 cm. Nach der Formel: finter: = c/b/2 wobei: c = Schallgeschwindigkeit, b = Schallwandbreite in m kommt es bei der
Frequenz finter = 344(m/s)/0.2m/2 = 3440 Hz zu einer Beugung der
Schallwellen an der Schallwandkante (Diese Formel gilt für einen
mittig eingebauten Hochtöner).
Dies führt
zu einer Senke im Schalldruckfrequenzgang bei 3440 Hz. Verfärbungen
im Klang und Fehler in der räumlichen
Abbildung können daraus
die Folgen sein, da bei ca. 3 kHz das Ohr sehr empfindlich ist.
Eine bekannte Möglichkeit,
das Problem zu lösen,
besteht darin, die Trennfrequenz zwischen Tief- und Hochtöner genau
auf finter festzulegen. Da aber bei der vorliegenden Erfindung die
Trennfrequenz viel niedriger liegen muss, funktioniert diese Vorgehensweise
nicht. Abhilfe schaffen hier beispielsweise abgeschrägte Gehäusekanten
(seitlich), eine Neigung der Schallwand sowie eine sich kontinuierlich
verändernde
Gehäusebreite.
Für das
Abstrahlverhalten ist es von Vorteil, dass der Hochtöner in eine
schmale Schallwand eingebaut wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung näher
dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer analogen Schaltung und
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2:
einen Detailausschnitt lediglich des Allpassgliedes, das aus zwei
kaskadiert geschalteten Allpassgliedern besteht.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer analogen Schaltung. Es ist eine Ausführungsform mit einem Tieftöner 1 und
einem Mittel-/Hochtöner
2 realisiert.
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Es ist ein Tiefpassfilter zweiter
Ordnung zu sehen, das aus der Spule 3 und dem Kondensator 4 besteht.
Die Spule 3 kann beispielsweise eine Induktivität von 2,2
mH aufweisen und der Kondensator 4 eine Kapazität von 47 μF.
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Zur Ansteuerung des Mittel-/Hochtöners 2 ist
ein Hochpassfilter zu sehen, das aus der Spule 5 und dem
Kondensator 6 besteht und somit ein Hochpassfilter zweiter
Ordnung darstellt. Die Spule 5 kann beispielsweise eine
Induktivität
von 0,1 mH aufweisen und der Kondensator 6 eine Kapazität von 22 μF.
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Weiterhin ist ein Allpassglied zu
sehen, das aus den Spulen 7 und 8 sowie den Kondensatoren 9 und 10 besteht.
Der Mittel-/Hochtöner
2 stellt die Last der Brückenschaltung
dar, die durch die Bauteile 7, 8, 9 und 10 gebildet
wird. Die Spulen 7 und 8 können beispielsweise eine Kapazität von 0,15
mH aufweisen und die Kondensatoren 9 und 10 eine
Kapazität
von 15 μF.
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2 zeigt
einen Ausschnitt des Schaltplans mit dem Allpassglied. Es ist zu
sehen, dass das Allpassglied hier aus zwei kaskadiert geschalteten
Allpassgliedern besteht. Es zeigte sich hierbei eine sehr gute räumliche
Auflösung.
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Der äußere Allpass besteht aus den
Spulen 201 und 202 sowie den Kondensatoren 204 und 203 sowie den
Widerständen 205 und 206.
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Der innere Allpass besteht aus den
Spulen 207 und 208 sowie den Kondensatoren 209 und 210 sowie den
Widerständen 211 und 212.
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Die Kondensatoren 203, 204 sowie
auch die Kondensatoren 209 und 210 weisen eine
Kapazität
von 47 μF
auf.
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Die Spulen 201 und 202 weisen
eine Induktivität
von 2,2 mH auf, die Spulen 207 und 208 weisen
eine Induktivität
von 0,9 mH auf.
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Die Widerstände 205, 206 sowie
211 und 212 betragen jeweils 0,3 Ohm.
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Der kaskadierte Allpass wurde in
einer Zwei-Wege-Box bei einer Trennfrequenz von 830 Hz eingesetzt.
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Die Minenfrequenz des äußeren Allpasses
beträgt
495 Hz, die Mittenfrequenz des inneren Allpasses beträgt 774 Hz.
Es ist also zu sehen, dass die Mittenfrequenz des inneren Allpasses
höher liegt
als die Mitenfrequenz des äußeren Allpasses.
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Es ist ersichtlich, dass auch Filter
anderer Ordnung verwendet werden können.
