DE2413640B2 - Verfahren zur Aufteilung des Übertragungsbandes einer Mehrwegelautsprecherkombination in mindestens zwei sich genau ergänzende Frequenzbänder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Anwendung dieses Verfahrens zur Aufteilung des Übertragungsbereiches einer Mehrwegelautsprecherkombination in mindestens zwei sich genau ergänzende Frequenzbänder. Jedem Frequenzband ist jeweils ein Lautsprecher bzw. eine Lautsprecherkombination zugeordnet und diesen wiederum ein Leistungsverstärker, dabei werden die Lautsprecherchassis zumindest im kritischen Baßfrequenzband direkt (ohne passives Filter) an einen Leistungsverstärker angeschlossen.

Folgende Anforderungen sind an Frequenzfilter für hochwertige Mehrwegelautsprecherkombinationen zu stellen:

1. Leistungsverluste sollen nicht auftreten.

2. Eine große Dämpfung der Lautsprechermembranbewegung soll durch den Innenwiderstand des Leistungsverstärkers gegeben sein.

3. Der ausgeglichene Frequenzgang soll ohne Umbau des Filters auch bei Ersatz eines Lautsprecherchassis durch eine andere Type erhalten bleiben.

4. Die Übergangsfrequenz und die Steilheit der Filter soll auf einfache Weise variiert werden können.

5. Im gesamten Übertragungsbereich soll sich ein linearer Frequenz- und Phasengang ergeben.

6. Impulse sollen exakt wiedergegeben werden, Ein- und Ausschwingvorgänge sollen also optimal sein.

7. Im Filter bzw. durch das Filter sollen sich keine nichtlinearen Verzerrungen ergeben (Klirr-, intermodulations-, Differenztoiiverz.).
Diese Anforderungen werden in der Praxis nicht ausreichend erfüllt Die Aufteilung des Übertragungsbereiches in mehrere Frequenzbänder und die Pegelunpassung der Frequenzbänder zueinander wird im allgemeinen mit passiven Bauteilen (Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten), die mit den Lautsprecherchass's in Serie

ίο bzw. parallel geschaltet werden, erreicht Die oben gestellten Anforderungen können bei dieser Bauweise kaum erfüllt werden. 1. Durch unvermeidbare Wirk- und Blindwiderstände wird Leistung verbraucht. 2. Zumindest im Bereich der Übergangsfrequenz ist die Lautsprechermembranbewegung nur unzureichend über den Innenwiderstand des Leistungsverstärkers gedämpft, da die Filterinipedanz zu groß wird. 3. Da das Lautsprecherchassis und das Filter eine funktionelle Einheit bilden, ist die Lautsprechertype nicht unabhängig wählbar. Ebenso ist 4. das Filter nur schwierig und individuell auslegbar. Dies beides auf Grund der frequenzabhängigen Impedanz des Lautsprecherchassis, die zudem auch noch von den Abstrahlbedingungen wie z. B. von dem Gehäusevolumen abhängig ist. 5.

Meist müssen, um einen ausgeglichenen Frequenzgang zu erhalten, Phasenverschiebungen bis zur Gegenphase (±180°) durch Verpolen der Mittel- und/oder der Hochtonlauisprecher hingenommen werden (Allpaß). 6. Impulse werden durch die energiespeichernden Kapazi-

JO täten und Induktivitäten verzerrt. 7. Werden im Filter nichtlineare Elemente verwendet, wie z. B. Drosselspulen mit Eisenkern, so können hier auch nichtlineare Verzerrungen auftreten. Durch die ungünstige (niedrige und imaginäre) Eingangsimpedanz mancher passiver

J5 Filter können Leistungsverstärker überfordert werden und verzerren.

Um den Anforderungen besser gerecht zu werden sind verschiedene Lautsprecherkombinationen entwikkelt worden, die aktive Filter und zumindest zwei Leistungsverstärker beinhalten. Die Leistungsverstärker sind hierbei zumindest im Baßfrequenzband direkt an das Lautsprecherchassis angeschlossen. Durch diese Konstruktionen werden die Anforderungen 1, 2, 3, 7 weitestgehend erfüllt, nur geringe Verbesserungen werden bei den Punkten 4, 5, 6 erreicht. Bei diesen Konstruktionen werden zur Aufteilung des Übertragungsbereiches für jedes Frequenzband getrennte, unabhängige Filter verwendet. F i g. 1 zeigt eine der üblichen Auslegungen, und zwar für eine Dreiwegelaut-Sprecherkombination: das Baßfrequenzband wird mit einem Tiefpaß (1) ausgefiltert., das Mittenfrequenzband mit einem Bandpaß (2) und das Höhenfrequenzband mit einem Hochpaß. Bei diesen Konstruktionen mit unabhängigen Filtern kann kaum sichergestellt werden, daß sich bei der elektrischen oder akustischen Addition der Frequenzbänder zum gesamten Übertragungsbereich ein vollkommen linearer Frequenz- und Phasengang ergibt, dieses insbesondere auf Grund der notwendigen genauen Anpassung benachbarter Filter

im Cbergangsbereich und der weiterhin notwendigen geringen Toleranz der Bauelemente. Je nach Auslegung der Filterdämpfung ergeben sich nicht zu vernachlässigende Impulsverzerrungen.

Es ist auch schon eine· Lautsprecherkombination (US-PS 36 57 480) mit einer einzigen zusammenhängenden Filterschaltung vorgeschlagen worden, bei der benachbarte Frequenzbänder durch die selben Filterelemente beeinflußt werden. Das Filter arbeitet unter

Ausnutzung der invertierenden und nicht invertierenden Eingänge der nachfolgenden Leistungsverstärker, die ihr Signal über Widerstände von verschiedenen Punkten eines preisgünstigen /?C-Netzwe;ks erhalten. Da die verschiedenen Lautsprecherchassis direkt von den Leistungsverstärkern gespeist werden, sind die Forderungen 1, 2, 3, 7 erfüllt Die realisierbare Steilheit der Filter liegt bei maximal 6 dB/Oktave. Da aber zumindest in einigen Frequenzbändern Steilheiten von 12 bis 24 dB/Oktave üblich bzw. notwendig sind (z. B. im Hochpaß für das Hochtonfrequenzband), ist Anforderung 4 nicht erfüllt. Bei der vorgeschlagenen Lautsprecherkombination wird zudem kein Wert darauf gelegt, bei elektrischer oder akustischer Addition der Frequenzbänder wieder den gesamten Übertragungsbereich mit ausgeglichenem Frequenzgang erhalten zu können. Die Auswirkung von Bauelementetoleranzen wrd zwar gemindert, da benachbarte Frequenzbänder mit jeweils umgekehrter Tendenz verändert werden. Das gegenseitige Einwirken der vielen Filterelemente aufeinander kann jedoch deutliche Frequenzgangfehler ergeben, auch sind die Verstärker durch zusätzliche Filterelemente und eine einem Differenzverstärker nicht entsprechende Schaltungsanordnung nicht geeignet, die Punkte 5 und 6 zufriedenstellend zu erfüllen.

Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die vorstehend aufgeführten Anforderungen 1 bis 7 zu erfüllen, wobei die Anforderungen 5 und 6 am. η ohne eng tolerierte teuere Bauteile erfüllt werden sollen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung nach dem Verfahren soll es möglich werden, eine beliebige Übertragungsanlage mit üblichen Leistungsverstärkern und Lautsprecherkombinationen durch eine spezielle Verstärker-Lautsprecherkombination zu ergänzen. Diese zusätzliche Verstärker-Lautsprecherkombination kann z. B. das kritische Baßfrequenzband in hochwertiger Qualität abstrahlen und die in diesem Frequenzband nicht so gut arbeitende normale Lautsprecherkombination entlasten.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß sich durch Addition der Signale hinter den Filtern wiederum exakt das in die Filter eingespeiste Gesamtsignal gewinnen lassen muß. Es wird je Übergangsfrequenz nur ein den Frequenzgang bestimmendes Filter verwendet.
Das benachbarte Frequenzband wird durch Subtraktion des herausgefiltenen Frequenzbandes vom gesamten Übertragungsbereich oder auch eines Teils hiervon gewonnen. Hierzu kann ein Differenzverstärker verwendet werden, dem das Signal vor und hinter dem Filter im richtigen Pegelverhältnis zugeführt wird. F i g. 2 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen 3-Wegefilters. Das Baßirequenzband wird mit einem Tiefpaß (4) ausgefütert, das Höhenfrequenzband wird mit einem Hochpaß (5) ausgefiltert. Das Mittelfrequenzband wird mit einem Differenzverstärker (6) gewonnen, der vorn gesamten Signal (unbeschränkter Übertragungsbereich) das Baß- und Höhenfrequenzband subtrahiert. Bei dieser Lösung wird ein Bandpaß gegenüber der üblichen Anordnung nach F i g. 1 eingespart. Da die Filterwirkung auf der Subtraktion beruht, kann sie zwangsläufig durch eine Addition der Signale der 3 Frequenzbänder vollkommen rückgängig gemacht werden, das Filter teilt den Übertragungsbereich auf, ohne jedoch das Signal in seiner Gesamtheit zu verändern, die Anforderungen 1 bis 7 sind daher erfüllt.

1. Da sich das Filter vor dem Leistungsverstärker befindet, treten keine Leistungsverluste auf.

2. Durch den direkten Anschluß des Lautsprecherchassis an den Leistungsverstärker kann eine große elektrische Dämpfung der Membranbewegung erreicht werden.

3. Die Filtereigenschaften sind von der verwendeten Lautsprechertype unabhängig.

4. Die Filtereigenschaften sind bei aktiven Filtern ig leichter variierbar, da die Bauteile kleiner, preisgünstiger und handelsüblich sind, je Übergangsfrequenz muß nur ein Filterteil umgerüstet werden, das benachbarte Frequenzband paßt sich automatisch in allen Eigenschaften an.

5. Ein linearer Frequenz- und Phasengang muß sich prinzipbedingt ergeben.

6. Impulsverzerrungen, die bei jedem Filter unvermeidlich sind, kompensieren sich bei Addition der Frequenzbänder, da das benachbarte Frequenz-

x band die ImpuJsverzerrungen auch enthält, jedoch

mit anderem Vorzeichen.

7. Ebenso wie in 6. würden nichtlineare Verzerrungen, soweit sie überhaupt auftreten, durch das benachbarte Frequenzband kompensiert. Der Leistungsverstärker wird durch kein passives Filter belastet.

Mit diesem Filterprinzip sind die Anforderungen sogar bei einem gemischten aktiven und passiven Filteraufbau zu erfüllen. Hierbei (vgl. Fig. 3) wird ein Lautsprecher oder eine Lautsprecherkombination (A) (eventuell mit internem Filter (H)) über ein passives Filter (7) an einen Leistungsverstärker (8) angeschlossen. Ein weiterer Lautsprecher oder eine weitere Lautsprecherkombination (B) wird über einen Differenzverstärker (9) und einen Leistungsverstärker (10)

j5 angesteuert. Dem Differenzverstärker wird die Spannung vor und hinter dem passiven Filter (7) zugeführt, am Ausgang des Difierenzverstärkers (9) erhält man das von dem passiven Filter unterdrückte Frequenzband. Der Lautsprecherzusatz (B) soll vorzugsweise der Abstrahlung des Baßfrequenzbandes dienen. F i g. 3 zeigt diese besondere durch das erfindungsgemäße Verfahren mögliche Anordnung. Das passive Filter kann entsprechend diesem einfachen Beispiel aus einer Kapazität (7) in Serie mit der nicht genau bekannten j Impedanz der Lautsprecherkombination (A) bestehen. Die Differenzspannung an dem passiven Filter (Kapazität 7) wird dem Differenzverstärker (9) zugeführt. Folgende Anforderungen können erfüllt werden:

1. Die Leistungsverluste durch das passive Filter im Leistungszweig werden weitgehend durch die Entlastung des Leistungsverstärkers kompensiert (geringerer Ausgangsstrom im gesperrten Frequenzband).

2. Die verschlechterte Dämpfung der Lautsprecherkombination (A) und der hierdurch veränderte Frequenzgang, als auch die Impulstreue werden über die Lautsprecherkombination (B) kompensiert.

3. Ein Austausch der Lautsprecherkombination (A) M) durch eine andere Type kann zwar die Filtereigenschaften verändern, durch einen automatischen Angleich des zusätzlichen, durch (B) übertragenen Trequenzbandes bleibt der ausgeglichene Gesamtfrequenzgang jedoch erhalten.

b5 4. bis 7. Diese Anforderungen werden in gleicher Weise erfüllt, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das erfinduneseemäße Verfahren schließt nicht aus.

daß zusätzliche Korrekturen am Frequenz- oder Phasengang in bestimmten Bereichen der Frequenzbänder vorgenommen werden können. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung werden hierdurch nicht geschmälert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufteilung des durch eine Mehrwegelautsprecherkombination erfaßten Übertragungsbereiches in mindestens zwei sich genau ergänzende Frequenzbänder, denen jeweils ein Lautsprecher bzw. eine Lautsprecherkombination und diesen wiederum jeweils ein Leistungsverstärker zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur das eine von jeweils zwei aneinandergrenzenden Frequenzbändern durch ein Filter und das andere Frequenzband durch Subtraktion des gefilterten Signals von einem die beiden Frequenzbänder beinhaltenden Signal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung in Frequenzbänder vor der Ansteuerung der den einzelnen Lautsprechern bzw. den einzelnen Lautsprecherkombinationen zugeordneten Leistungsverstärkern erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung in Frequenzbänder hinter einem die Frequenzbänder gemeinsam übertragenden Leistungsverstärker erfolgt und die Impedanz des von diesem gespeisten Lautsprechers bzw. der Lautsprecherkombination in das Filternetzwerk einbezogen wird.

4. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Leistungsverstärker und einem Lautsprecher bzw. einer Lautsprecherkombination ein Frequenzfilter geschaltet ist und die an dem Filter abfallende Spannung nach einer Leistungsverstärküng einem Lautsprecher bzw. einer Lautsprecherkombination zugeführt wird, die in dem vom Filter unterdrückten Frequenzband arbeitet.