DE8802504U1

DE8802504U1 - Crossover for speaker combinations

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Publication number: DE8802504U1
Application number: DE8802504U
Authority: DE
Original assignee: STROBEL ACHIM 5920 BAD BERLEBURG DE
Current assignee: STROBEL ACHIM 5920 BAD BERLEBURG DE
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1988-07-14

Description

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22. Februar 1988 -.ni 75 06422 February 1988 -.ni 75 064

Mr Achim Strobel, Poststrasse 61, 5920 Bad Berleburg Crossover for speaker combinations

Die Erfindung betrifft eine frequenzweiche für eine je mindestens einen Tief-, einen Mittel- sowie einen Hochtonlautsprecher aufweisende Lautsprecherkombination nach dem Prinzip von Butterworth-Piltern zweiter Ordnung.The invention relates to a crossover for a loudspeaker combination having at least one bass, one midrange and one tweeter according to the principle of second-order Butterworth filters.

Da mittels eines einzigen Lautsprechers das heute angestrebte Tonfrequenzband bspw. von 20 Hz bis 20 kHz auch bei zugelassenen Einbußen an den Randfrequenzen nicht zufriedenstellend wiederzugeben ist, werden verbreitet zur Wiedergabe von Tonfrequenzen bspw. eines Stereo-Kanales jeweils Lautsprecherkombinationen vorgesehen, die aus mindestens zwei Lautsprechern bestehen, die in der Regel durch eine gemeinsame Schallwand, ein gemeinschaftliches Gehäuse oder dergleichen zu einer Lautsprecherkombination zusammengefaßt sind. Um Quermodulationen und andere, den Gesamteindruck verfälschende Effekte zu vermeiden, wird hierbei tunlichst jeder Lautsprecher nur mit dem Frequenzspektrum beaufschlagt, zu dessen Wiedergabe er vorgesehen ist. Den Lautsprechern sind daher Frequenzweichen vorgeordnet, deren einzelne Filter das am Ausgange bspw. eines NF-Verstärkers äuftfeteade Ffequenzspekfcfifla deiart in Teilbereiche aufteilen, daß dem Tieftoner nur die niedrigen frequensen zugeführt werden, dem Mitteltoner ein mittlerer Frequenzbereich, und dem Hochtöner nor die hohen Frequenzanteile. Nach BerndtSince the audio frequency band currently sought, for example from 20 Hz to 20 kHz, cannot be reproduced satisfactorily using a single loudspeaker, even with acceptable losses at the edge frequencies, loudspeaker combinations are widely used to reproduce audio frequencies, for example from a stereo channel. These consist of at least two loudspeakers, which are usually combined into a loudspeaker combination by a common baffle, a common housing or the like. In order to avoid cross-modulation and other effects that distort the overall impression, each loudspeaker is only exposed to the frequency spectrum that it is intended to reproduce. The loudspeakers are therefore preceded by crossovers whose individual filters divide the frequency spectrum running at the output of, for example, an NF amplifier into sub-ranges in such a way that only the low frequencies are fed to the woofer, a medium frequency range to the midrange, and only the high frequency components to the tweeter. According to Berndt

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Stark &igr; Lauteprecherhandbuch, Pflaum Verlag München* 1986, Seiten 181 bis 194 haben sieh hierfür die dort beschriebenen Butterworth-Pilter bewährt. Eine ausreichende Spannungsdämp-Äung sowie Flankensteilheit der Teilbereiche weisen bereite die Butterworth-Pilter zweiter Ordnung auf. In der Praxis hat es sich jedoch herausgestellt, daß bei höheren Ansprüchen an Klangtreue oft noch weitere Korrekturen erforderlich werden, die bspw. die Summenübertragung in den Übergangsbereichen und damit die Frequenzlinearität ebenso betreffen können wie die phasenlineare Wiedergabe. Ebenso gilt es oft, zusätzlich Nichtlinearitäten zu beheben, welche durch die Wiedergabecharakteristik der Lautsprecher bedingt sind, bspw. infolge deren von der Frequenz abhängigem Impedanzverlauf. Stark &igr; Loudspeaker Handbook, Pflaum Verlag Munich* 1986, Pages 181 to 194, the Butterworth filters described there have proven to be useful for this purpose. The second-order Butterworth filters already have sufficient voltage attenuation and slope steepness of the sub-ranges. In practice, however, it has been found that with higher demands on sound fidelity, further corrections are often required, which can affect, for example, the total transmission in the transition areas and thus the frequency linearity as well as the phase-linear reproduction. It is also often necessary to correct additional non-linearities that are caused by the reproduction characteristics of the loudspeakers, for example as a result of their frequency-dependent impedance curve.

Andererseits hat es sich gezeigt, daß nicht in allen Fällen objektive Messungen bspw. im schalltoten Raum gesicherte Ergebnisse und damit Anregungen zu Korrekturen bieten, da bei der Beurteilung eines Klanges nicht nur objektiv erfaßbare, sondern auch subjektive Momente sich bemerkbar machen.On the other hand, it has been shown that objective measurements, for example in an anechoic chamber, do not always provide reliable results and thus suggestions for corrections, since the assessment of a sound involves not only objectively measurable but also subjective factors.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Frequenzweiche der bezeichneten Gattung zu schaffen, welche nicht nur den gesamten Frequenzbereich in drei den jeweiligen Lautsprechern angepaßte Teilbereiche aufteilt, sondern auch einen ausgeglichenen, neutralen, freien Klang der Kombination begünstigt und bspw. auch Stimmen überraschend natürlich und unverzischelt klingen läßt, wobei eine trockene, detaillierte, klar urarissene und unverschleierte Baßwiedergabe erreicht werden soll, die auch bei höheren Pegeln unvetsehfliieit bleibt*The invention is therefore based on the task of creating a crossover of the type described, which not only divides the entire frequency range into three sub-ranges adapted to the respective loudspeakers, but also promotes a balanced, neutral, free sound of the combination and, for example, makes voices sound surprisingly natural and unhidden, whereby a dry, detailed, clearly defined and unobscured bass reproduction is to be achieved, which remains unobscured even at higher levels*

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Erreicht wird dieses mit den Merkmalen dee Patentanspruches 1. Die Werteänderungen der Bauelemente sind hierbei gegenüber den aue der Abbildung 85 der Literaturetelle bezeichneten Aufbau angegeben, und die im Ausführungsbeispiei angegebenen Werte beziehen sieh wie die der ersten der zu der Abbildung gehörenden Aufstellungen auf eine Impedanz von 8 Ohm. Die Vergrößerung oder Reduzierung der bezeichneten Werte gilt hier, insbesondere auch in den Ansprüchen, der prägnanten Kennzeichnung der Änderungen; es werden aber auch erhöhte Abweichungen ebenso wie nur Teiländerungen in Richtung der angegebenen als in den Bereich der Erfindung fallend betrachtet.This is achieved with the features of patent claim 1. The changes in the value of the components are specified here compared to the structure shown in Figure 85 of the literature reference, and the values specified in the example, like those in the first of the setups belonging to the figure, refer to an impedance of 8 ohms. The increase or reduction of the specified values applies here, especially in the claims, to the concise identification of the changes; however, increased deviations as well as only partial changes in the direction of those specified are also considered to fall within the scope of the invention.

Durch die Reduzierung der dem Tieftöner vorgeschalteten Impedanz, insbesondere in Verbindung mit der Vergrößerung und Teildämpfung der ihm parallelgeschalteten Kapazität wird nicht nur eine günstigere Aufteilung erreicht, auch der im tiefen Bereich erzielte Wirkungsgrad wird erfreulich angehoben. By reducing the impedance connected upstream of the woofer, especially in conjunction with the enlargement and partial damping of the capacitance connected in parallel, not only is a more favorable distribution achieved, but the efficiency achieved in the low range is also increased significantly.

Vorteilhaft und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient further developments are identified in the subclaims.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einem dieses darstellenden Schaltbild der Fig. 1 erläutert. Die damit erzielte Wirkung wird im Diagramm der Fig. 2 aufgezeigt.The features of the invention are explained in detail using the following description of an embodiment in conjunction with a circuit diagram showing it in Fig. 1. The effect achieved is shown in the diagram in Fig. 2.

In der Figur ist im Blockschaltbild eine Frequenzweiche mit angeschlossenen LäufespeeCherrt dargestellt* Me Frequenzweiche wird über die Klemmen 1 und 2, die mit dem Endverstärker zu verbinden sind, gespeist« Dem Tieftöner 3 ist eine Drossel 4 vorgeschaltet, und parallel sind ihm zwei Kondensa- In the figure, a crossover with connected drivers is shown in the block diagram. The crossover is fed via terminals 1 and 2, which are to be connected to the power amplifier. A choke 4 is connected in front of the woofer 3 and two capacitors are connected in parallel.

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S und 6 gelegt, deren größerer dutch die Serienschaltung mit einem Widerstund 7 in seiner Wirkung gedämpft ist. Gegenüber der vorbekannten Frequenzweiche ist di« Induktivitat der Drossel 4 von 6 auf 2,4 ma abgesetikt, und an die Stelle eines Kondensators mit einer Kapazität von 11 uf sind die Kondensatoren 5 und 6 mit 15 uF und 33 uF getreten» deren letzterem ein Widerstand von 4,7 Ohm in Reihe geschaltet ist.S and 6, the larger of which is dampened in its effect by the series connection with a resistor 7. Compared to the previously known crossover, the inductance of the choke 4 is reduced from 6 to 2.4 mA, and instead of a capacitor with a capacity of 11 uf, the capacitors 5 and 6 with 15 uF and 33 uF have been used, the latter of which has a resistance of 4.7 ohms connected in series.

Der Mitteltöner 8 wird über eine Serienschaltung eines Widerstandes 9, eines Kondensators 10 und einer Drossel 11 gespeist, und ihm parallel ist ein Sperrkreis geschaltet, der aus dem Kondensator 12 und der Drossel 13 gebildet wird. Die Kapazität des Kondensators 10 ist von bekannten Werten von 15 uF auf 10 uF verringert, und die Drossel 11 ist von 0,4 auf 0,68 mH in ihrer Induktivität geringfügig angehoben. Zur Dämpfung ist jedoch zusätzlich noch ein Widerstand 9 von 3,9 Ohm mit ihnen in Reihe angeordnet.The midrange speaker 8 is fed via a series circuit of a resistor 9, a capacitor 10 and a choke 11, and a blocking circuit formed by the capacitor 12 and the choke 13 is connected in parallel. The capacitance of the capacitor 10 is reduced from the known values of 15 uF to 10 uF, and the choke 11 has its inductance slightly increased from 0.4 to 0.68 mH. However, for damping purposes, an additional resistor 9 of 3.9 ohms is arranged in series with them.

Der dem Mitteltöner 8 parallelgeschaltete Schwingkreis ist in seiner Resonanzfrequenz geringfügig etwa um den Faktor 1,2 angehoben und in seinem Resonanzwiderstand erheblich reduziert: Die Kapazität des Kondensators 12 ist von 3,3 uF auf 10 uF angehoben, während die Induktivität der Drossel 13 erheblich von 3 mH auf 0,68 mH abgesenkt ist. Bewährt w'.at sich hier, daß der dem Mitteltöner 8 vorgeordnete Saugkreis 10, 11 dem dem Mitteltöner parallelgeschalteten Sperrkreis 12, 13 symmetrisch ausgebildet ist und über gleich große Bauelemente ebenso verfügt wie über cleiche Resonanzfrequenzen. The resonant circuit connected in parallel to the midrange speaker 8 has its resonance frequency slightly increased by a factor of 1.2 and its resonance resistance has been significantly reduced: the capacitance of the capacitor 12 has been increased from 3.3 uF to 10 uF, while the inductance of the choke 13 has been significantly reduced from 3 mH to 0.68 mH. It has proven itself here that the absorption circuit 10, 11 arranged upstream of the midrange speaker 8 is symmetrical to the blocking circuit 12, 13 connected in parallel to the midrange speaker and has components of the same size as well as the same resonance frequencies.

Auch beim Hochtöner 14 sind die ihn speisenden Elemente abgeändert worden. Die Speisung erfolgt über einen Widerstand 15 sowie einen diesem in Serie geschalteten K'-ß^a ?a- The elements feeding the tweeter 14 have also been modified. The power is supplied via a resistor 15 and a K'-ß ^a ?a- connected in series with it.

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tor 16, und parallel zum Hochtöner 14 ist eine Drossel 18 geschaltet. Von der bekannten Kapazität des Vorschaltkondensator s von 2,2 uF ausgehend wurde diese auf 3,3 uF angehoben, und der Widerstand 15, von 3,9 Ohm ist zur Dämpfung und Ausgleichung zusätzlich eingeführt, während die Drossel 18 vom bekannten Wert von 0,4 mH in ihrer Induktivität auf 0,2 mH abgesenkt ist.tor 16, and a choke 18 is connected in parallel to the tweeter 14. Starting from the known capacity of the series capacitor of 2.2 uF, this was increased to 3.3 uF, and the resistor 15 of 3.9 ohms was additionally introduced for damping and equalization, while the choke 18's inductance was reduced from the known value of 0.4 mH to 0.2 mH.

Der Vergleich zeigt, daß gegenüber dem Vorbild die Drosseln 4, 18 und insbesondere 13 um mindestens 50% abgesenkt worden sind, wobei auch die sich bildenden Resonanzfrequenzen durch entsprechende Eingriffe in die jeweils ergänzenden Schaltelemente verlagert sind.The comparison shows that compared to the original, the chokes 4, 18 and especially 13 have been reduced by at least 50%, whereby the resulting resonance frequencies have also been shifted by appropriate interventions in the respective complementary switching elements.

Die Verringerung der Induktivität der Drossel 4 erweist sich nicht nur als kostengünstig, wie bereits bemerkt wird auch der Wirkungsgrad des Lautsprechers angehoben. Als wesentlich zeigt sich hierbei aber auch, daß die dem Tieftöner parallel gedechaltete Kapazität aufgeteilt ist und der größere Kapazitätsanteil 6 durch einen in Serie geschalteten Widerstand gedämpft ist. Hierdurch wird nicht nur eine hervorragende Linearisierung des Frequenzganges des Tieftöners und damit ddc gesamten Kombination mit geringem Aufwände erreicht, auch die Impedanz des Tieftonzweiges, die durch die Verminderung der Induktivität der Drossel 4 beeinträchtigt wurde, wird vorteilhaft wieder angehoben.Reducing the inductance of the choke 4 not only proves to be cost-effective, as already mentioned, the efficiency of the loudspeaker is also increased. Another important feature is that the capacitance connected in parallel to the woofer is divided and the larger capacitance portion 6 is dampened by a resistor connected in series. This not only achieves excellent linearization of the frequency response of the woofer and thus of the entire combination with little effort, but also advantageously increases the impedance of the woofer branch, which was impaired by reducing the inductance of the choke 4.

Durch den symmetrischen Aufbau des im Mitteltonkanal liegenden Saug- und Sperrkreis·· wird in d«m akkuetiech besondere kritischen übarnahnabaraich ab 500 Bz «in axtrm steiler Anstieg erreicht, dar durchaus 20 dB/Oktav· betragen kann, wahrend am 1 kHz dar Frequenzgang linear horizontal verläuft. Ab 3,8 kHz wird wiederum sahr steil, im Ausfuhruingabeisplal mit 16 dB/Oktav· dar Mitteltonkanal ausgekoppelt.Due to the symmetrical structure of the intake and blocking circuit in the midrange channel, a particularly critical increase is achieved from 500 kHz onwards, which can easily be 20 dB/octave, while at 1 kHz the frequency response is linear and horizontal. From 3.8 kHz onwards the midrange channel is again coupled out very steeply, at 16 dB/octave in the output range.

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Derartig steile Flanken des Übertragungsbereiches wurden bisher nur mit wesentlich aufwendigeren und teureren Filtern, bspw. Butterworth-Filter dritter und vierter Ordnung, erreicht. Neben den hohen Gestehungskosten sind solche Filter jedoch noch mit weiteren Nachteilen behaftet; Neben einem schlechten Wirkungsgrad zeigen sie unerwünscht hohe und akkustisch ungüstig sich erweisenden Phasendrehungen.Such steep edges of the transmission range have previously only been achieved with much more complex and expensive filters, such as third and fourth order Butterworth filters. In addition to the high production costs, such filters also have other disadvantages; in addition to poor efficiency, they exhibit undesirably high phase shifts that prove to be acoustically unfavorable.

Die hier zusätzlich eingeführten Widerstände zeigen mehrere Auswirkungen. Zunächst einmal werden die Frequenzgänge des Mittel- und des Hochtonkanales durch die vorgeordneten Widerstände 9 und 15 geglättet. Diese Glättung ergibt sich zunächst einmal schon durch die Bedämpfung der Kanäle, und tritt erhöht in Erscheinung, da dieser Realteil der jeweiligen komplexen Widerstände sich mit der Frequenz nicht ändert, während die übrigen Schaltelemente frequenzabhängig ausgebildet sind. Des weiteren wird aber auch eine Anpassung des Mittel- und Hochtonkanales an den Tieftonkanal erreicht, üblicherweise erfolgt die Leistungsanpassung durch den Einsatz von Spannungsteiler netzen, die nicht nur aufwendiger sind, sondern auch durch den hierbei auftretenden Quer strom einen ungünstigeren Leistungsfaktor haben. Hier wird der Realanteil des komplexen Widerstandes erhöht und damit gleichzeitig die Stromaufnahme gedrosselt und linearisiert, während bei bekannten Spannungsteilern die Filteranordnung mit verminderter Spannung bertrieben wird.The additional resistors introduced here have several effects. First of all, the frequency response of the mid-range and high-frequency channels are smoothed by the upstream resistors 9 and 15. This smoothing is initially achieved by damping the channels and is more pronounced because this real part of the respective complex resistors does not change with frequency, while the other switching elements are designed to be frequency-dependent. In addition, an adjustment of the mid-range and high-frequency channels to the bass channel is also achieved. The power adjustment is usually carried out by using voltage divider networks, which are not only more complex, but also have a less favorable power factor due to the cross-current that occurs. Here, the real part of the complex resistance is increased and at the same time the current consumption is throttled and linearized, while with known voltage dividers the filter arrangement is operated with a reduced voltage.

Geringfügig idealisiert wird das Ergebnis anhand der Fig. 2 erläutert. Der Tieftonbereich fällt gegen den stärker schraffierten Mitteltonbereich relativ steil ab, wie auch der Hochtonbereich zum Mitteltonbereich. Der Mitteltonbereich selbst ist mit außerordentlich steilen Flanken auegestattet, so daß eine günstige Stromübernahme an den übertragunsbereichsgrenzen erzielt wird.The result is explained in a slightly idealized form using Fig. 2. The bass range falls off relatively steeply compared to the more heavily hatched midrange range, as does the treble range to the midrange range. The midrange range itself is equipped with extremely steep slopes, so that a favorable current transfer is achieved at the transmission range limits.

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So sind mit relativ geringen Abänderungen und verhältnismäßig wenig zusätzlichen Bauteilen die Freguenzausgeglichenheit und Wiedergabetreue einer Lautsprecherkombination wesentlich gesteigert.With relatively minor modifications and relatively few additional components, the frequency balance and fidelity of a loudspeaker combination can be significantly increased.

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Claims

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1. Crossover for a loudspeaker combination comprising at least one woofer, one tweeter and one tweeter based on the principle of second-order Butterworth filters,

characterized,
that compared to known designs for an impedance of 8 ohms, the choke (4) arranged upstream of the woofer (3) has an inductance reduced by 60%, while the capacitance (C5, C6) connected in parallel to the woofer is approximately doubled.

2. Crossover according to claim 1,
characterized,

that a suction circuit (capacitor 10, choke 11) connected upstream of the midrange speaker (8) has the same resonance frequency as a blocking circuit (capacitor 12, choke 13) connected in parallel to the midrange speaker (8).

3. Crossover according to claim 2,
characterized,

that the capacitors (10, 12) and the chokes (11, 13) have essentially the same capacitances or inductances.

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4. Crossover according to one of claims 1 to _3, characterized in that the blocking circuit (12, 13) connected in parallel to the midrange speaker (8) has its resonance frequency increased by 20%

&Idigr; is.

5. Crossover according to one of claims 1 to 4,

characterized in that the resonance resistance of the blocking circuit (12, 13) connected in parallel to the tweeter (8) is increased by at least

reduced by a factor of 10.

6. Crossover according to one of claims 1 to 5, characterized in that the capacitance (5, 6) connected in parallel to the woofer (3) is dampened and its impedance increased by unequal distribution and by connecting a resistor (7) in front of the larger partial capacitance (6).

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7. Crossover according to one of claims 1 to 6,

characterized,

that the tweeter (14) and the midrange speaker (8) are preceded by oscillation resistors (9, 15, 16).