DE4212622A1 - Filter für Lautsprecher - Google Patents

Description

Im Lautsprecherbau verteilen in Mehrwegesystemen (üblich sind 2 bis 5 Wege) Filter die einzelnen Frequenzbereiche auf die dafür geeigneten Chassis. Vor anderen Eigen­ schaften wie räumliche Abstrahlcharakteristik oder Parameterunempfindlichkeit ist es Hauptaufgabe der Filter im Zusammenspiel mit den Chassis einen glatten Frequenz­ gang zu erzielen (Allpasscharakteristik). Zu diesem Zweck sind verschiedene Filtertypen und Topologieen im Einsatz. Der Stand der Technik wird nun beschrieben; Systeme mit mehr als zwei Wegen werden am Beispiel eines Dreiwegesystemes erläutert.

Für den Fall des Zweiwegesystemes (Bild II) empfehlen sich die aus der Literatur bekannten Allpassfilter: Butterworthfilter für ungerade Ordnung, Linkwitzfilter für gerade Ordnung. Doch schon im Dreiwegesystem gemäß Bild III zeigen die oben genannten Filter kein Über- Alles-Allpassverhalten mehr, wobei die Abweichungen immer größer werden, je näher die Trennfrequenzen beieinander liegen. Hier helfen Frequenzweichen nach dem Filler- Driver-Prinzip oder modifizierte Filterparameter wie von R.M.Bullock III beschrieben (Literaturhinweis).

Filtertopologieen wie in Bild IV und V gezeigt funktionieren wieder mit Butterworth- oder Linkwitz­ filtern, benötigen aber einen zusätzlichen Allpass, der das Phasenverhalten bewirkt, das Tiefpass und Hochpass zusammen erzeugen. (Der Allpass kann entfallen, wenn die Trennfrequenzen genügend weit auseinander liegen).

Neben den hier beschriebenen auch passiv realisierbaren Lösungen existieren weitere aktive Lösungen, die z. B. Konstantspannungsfilter realisieren oder Frequenzgang­ korrekturen am Chassis vornehmen. Auch kann in aktiven Filtern die Parameterempfindlichkeit mittels Erzeugung der Filterfunktion durch Differenzbildung gesenkt werden. Ebenso gehört es zum Stand der Technik, das akustische Verhalten des Chassis, - Tiefpass beim Bass, Hochpass für den Hochtöner, Bandpass beim Mitteltöner - in den Filter­ blöcken gemäß gewählter Topologie zu berücksichtigen.

Allen bekannten Lösungen gemeinsam ist der unbe­ friedigende Frequenzgang im Bereich der oberen Grenzfre­ quenz des Basskanals, wenn diese niedrig liegt. Je schmäler der Frequenzbereich, den der Basskanal über­ trägt, desto stärker sind die Abweichungen von der All­ passcharakteristik (Bild VI). Insbesondere für Satelliten-Sub­ woofersysteme, die eine besonders niedrige Trenn­ frequenz zum Bass hin benötigen, wird der Frequenzgang inakzeptabel.

In der Praxis werden dann verschiedene Trennfrequenzen für den Tiefpass des Basskanals und den Hochpass des Mittel-Hochtonpfades benutzt, oder die Charakteristiken der beiden Filter variiert, um einen etwas glatteren Frequenzgang zu erreichen. Aus mathematischen Gründen ist ein wirklich glatter Frequenzgang mit dieser Methode nicht möglich, zum anderen werden dadurch zusätzliche Phasenverzerrungen eingefügt, die die Impulstreue deutlich verschlechtern.

Bild VI zeigt den Frequenzgang in den Fällen, daß der Bass eine, eineinhalb bzw. zwei Oktaven abstrahlt. (Dies sind typische Werte für Subwoofer.) Dabei wurde angenommen, daß der Bass Butterworthhochpass­ charakteristik 4. Grades besitzt und zum Mittel- Hochtonbereich mittels Linkwitzfilter 4. Grades abgetrennt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, im Bassbereich und im Bereich der Übernahmefrequenz zum Mittel-Hochtonbereich einen linearen Frequenzgang bis hin zur unteren Grenz­ frequenz des Basses zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hochpassfilter (Bild I), das in den Mittel-Hochtonkanal eingebracht wird und das dieselbe akustische Hochpassfunktion realisiert, wie sie der Basskanal besitzt; d. h. Hochpassfunktion des Basses in seinem Gehäuse plus eventuell bezüglich Hochpassverhalten vorhandene Filter; optionell Subsonikfilter.

In manchen Spezialfällen existiert zu dem erfindungs­ gemäßen Hochpassfilter ein Allpassfilter mit gleichem Phasengang, das ebenso eine Linearisierung des Frequenzganges bewirkt. Die Wirkung des Hochpasses ist in Bild VI dargestellt. Durch das erfindungsgemäße Hochpass­ filter erfährt der Mittel-Hochtonbereich dieselben Ver­ änderungen wie der Basskanal, somit können sich dann Tiefpass 1 und Hochpass 1 (Bild IV) zur Allpass­ charakteristik ergänzen. Die Kompensation gelingt mit dem erfindungsgemäßen Hochpassfilter exakt, mit dem er­ findungsgemäßen Allpassfilter in sehr guter Näherung.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispieles - aktives Satelliten-Subwoofersystem - näher beschrieben. Der Satellit wird für diese Betrachtungen hinreichend genau mit Butterworth-Hochpasscharakteristik 2. Grades mit einer Grenzfrequenz von 100 Hz angenommen (Bild VII, Block C). In der aktiven Frequenzweiche ist ein weiteres Butterworth-Hochpassfilter 2. Grades mit Grenzfrequenz 100 Hz installiert (Block B). Filter B und C bilden zusammen das gewünschte 24 dB Linkwitzfilter für die akustische Übertragungsfunktion des Satelliten.

Der Bass habe nun in seinem geschlossenen Gehäuse eine Resonanzfrequenz von 45 Hz und eine gesamte Güte von Q=0,8 (Block D, Bild VII). Ziel sei es, eine Grenz­ frequenz von 35 Hz zu erreichen mit Butterworth­ charakteristik 4. Grades. Zu diesem Zweck wird die Übertragungsfunktion des Basses mittels eines bi­ quadratischen Filters auf eine Grenzfrequenz von 35 Hz und eine Güte von Q=0,54 gebracht (Block E). Zusammen mit einem weiteren Hochpassfilter (Block F) entsteht die gewünschte Hochpassübertragungsfunktion des Basses. Bleibt noch, den Linkwitz-Tiefpass (Block G) hinzuzu­ fügen, der sich mit den Blöcken B und C zur Allpass­ charakteristik ergänzen soll.

Das erfindungsgemäße Hochpassfilter im Mittel-Hochtonpfad realisiert in diesem Beispiel die Gesamtübertragungs­ funktion der Blöcke E, F und D.

In analoger Weise kann ein System betrachtet werden, das z. B. mit dem Bassreflexprinzip im Basskanal arbeitet. Ebenso können Teile der hier als aktiv beschriebenen Filter passiv in der Box oder durch geschickte Gehäuse­ abstimmung realisiert werden (z. B. kann bei passendem Gehäuse das biquadratische Filter entfallen). Auch ist man nicht an eine bestimmte Form des akustischen Hochpasses im Basskanal gebunden. Ebenso kann im Sinne der Erfindung berücksichtigt werden, wenn die verwendete Elektronik in aktiven Systemen keine Gleichspannungs­ koppelung besitzt oder Subsonikfilter im Signalpfad liegen, deren Grenzfrequenzen in der Nähe der unteren Grenzfrequenz des Basskanals liegt.

Das erfindungsgemäße Filter bewirkt einen glatten Frequenzgang, insbesondere wenn obere und untere Grenz­ frequenz des Basskanals nahe beieinander liegen. Es ermöglicht darüber hinaus, bei Satelliten-Subwoofer­ systemen die Trennfrequenz tiefer zu legen, was Vorteile bei der Aufstellung des Systems und der Räumlichkeit der akustischen Abbildung bringt.

Literatur Lautsprecherboxen Götz Schwamkrug Elektor Verlag GmbH Aachen, ISBN 3-921608-51-1.

Claims (10)

1. Hochpassfilter für Lautsprecheranwendungen in Mehr­ wegesystemen dadurch gekennzeichnet, daß es in Verbindung mit demjenigen Teil/denjenigen Teilen des Mehrwege­ systemes, das/die nicht die tiefsten Frequenzen abstrahlt/abstrahlen den akustischen Hochpass desjenigen Teils des Systems nachbildet, das die tiefsten Frequenzen abstrahlt.

2. Hochpassfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filter passiv ausgeführt ist.

3. Hochpassfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filter Teil einer aktiven Frequenzweiche ist.

4. Hochpassfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filter akustisch durch Gehäuseauslegung gebildet wird.

5. Hochpassfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zu realisierende akustische Hochpassfunktion aus der Kombination der Ansprüche 2 bis 4 entsteht.

6. Hochpassfilter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Satelliten-Subwoofersystem zum Einsatz kommt.

7. Hochpassfilter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Lautsprechersystem mit integriertem Sub­ woofer zum Einsatz kommt.

8. Hochpassfilter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Subwoofer als Monobass ausgeführt ist.

9. Hochpassfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß eventuell vorhandene sub­ sonische Filterfunktionen im Basskanal mitberücksichtigt werden.

10. Allpassfilter für Lautsprecheranwendungen in Mehr­ wegesystemen dadurch gekennzeichnet, daß das Allpass­ filter im Zusammenwirken mit dem Mitten-Hochtonpfad den gleichen Phasengang produziert wie das Hochpassfilter der Ansprüche 1 bis 9 und an dessen Stelle eingebracht wird.