Frequenzweiche und Preis. Die Kunst des Audios

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Frequenzweiche und Preis

Die Kunst des Audios

Es ist seit langem bekannt, dass eine geringfügige Änderung der Übergangsfrequenzen der Bass- und Mitteltonbänder in einem Drei-Wege-System spürbare Auswirkungen auf den Klang haben kann. In verschiedenen Teilen des hörbaren Frequenzbereichs nutzt das menschliche Ohr unterschiedliche Methoden, um die Richtung zur Schallquelle zu bestimmen. Im für uns interessanten Mittelfrequenzbereich überwiegt der Phasenmechanismus der Wahrnehmung, basierend auf dem Abstandsunterschied zwischen Schallquelle und Ohren. Die Grenzen dieses Bereichs (von 350 bis 1700 Hz) werden durch die Größe des menschlichen Kopfes (bzw. den Abstand zwischen den Ohrmuscheln) bestimmt. Für uns ist es jedoch jetzt wichtig, dass sowohl die Frequenzen des Abschnitts der LF- und MF-Bänder in einem Dreibandsystem als auch deren „Umgebung“ in diesen kritischen Bereich fallen.

Da die Frequenzweiche keine perfekte Trennung der Bänder gewährleisten kann, gibt es eine Zone gemeinsamer Wirkung, in der beide Lautsprecher gleichzeitig klingen. Phasenverschiebungen zwischen den von ihnen wiedergegebenen Signalen haben einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung der Szene. Die Summe der in diesem Bereich entstehenden Signale kann die Schärfe des Stereobildes verbessern oder auch die Szene unscharf machen. Die Phasenverzerrungen eines hochwertigen Systems sollten minimal sein, aber das ist nur eine Seite des Problems und gibt Anlass zum Nachdenken über die Musikalität von Filtern verschiedener Typen. Nicht nur die durch den Filter eingeführte absolute Phasenverschiebung ist wichtig, sondern auch Viel wichtiger ist die relative Verschiebung zwischen den Frequenzbändern am Ausgang der Filter. Aber dazu später mehr.

Die Phasenverschiebung und Roll-Off-Steigung des Frequenzgangs (AFC) außerhalb des Durchlassbereichs des Filters wird durch seine Ordnung bestimmt und beträgt 90 Grad und 6 dB/Oktave pro Ordnung. Das heißt, der Filter erster Ordnung sorgt für eine Dämpfung von 6 dB/Oktave bei einer vollen Phasenverschiebung von 90 Grad, der Filter zweiter Ordnung für 180 Grad und 12 dB/Oktave und so weiter. Bei der Grenzfrequenz beträgt die Filterdämpfung 3 dB und die Phasenverschiebung beträgt die Hälfte des vollen Wertes (d. h. 45 Grad für den Filter 1. Ordnung und 90 Grad für den Filter XNUMX. Ordnung). Lediglich die Glätte der Krümmung des Frequenzgangs im Bereich der Grenzfrequenz und des Gesamtfrequenzgangs des Systems sowie die Phasencharakteristik hängen vom Filtertyp ab.

In industriellen Designs aktiver Frequenzweichen werden am häufigsten Butterworth-, Bessel- und Sallen-Key-Filter verwendet, die auf Repeatern aufgebaut sind. In der Regel werden Filter zweiter Ordnung verwendet. Jeder dieser Typen hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Bessel-Filter haben den gleichmäßigsten Phasengang (wie eine einzelne RC-Schaltung), aber der Gesamtfrequenzgang weist einen Abfall von 3 dB bei der Übergangsfrequenz auf. Butterworth-Filter bieten insgesamt einen flachen Frequenzgang, ihr Phasengang ist jedoch steiler. Schließlich sind Sallen-Key-Filter (Äquikomponentenfilter) für die Massenproduktion sehr praktisch, da sie (wie der Name schon sagt) Teile mit der gleichen Nennleistung und einer großen Toleranz erfordern, was bei Butterworth- und Bessel-Filtern nicht der Fall ist, die Präzision erfordern Teile.

Allerdings sind die Phasen- und Frequenzeigenschaften von Gleichkomponentenfiltern am schlechtesten, sodass sie nur in preisgünstigen Modellen verwendet werden.

Frequenzweiche und Preis

Das Interessanteste ist (wie versprochen) nicht die Frequenz und nicht die Phasencharakteristik, sondern die relative Phasenverschiebung der Signale zwischen den Ausgängen von HPF und LPF. Bei Filtern zweiter Ordnung liegt er über das gesamte Frequenzband nahe bei 180 Grad, bleibt aber nur beim Butterworth-Filter konstant. Bei Bessel- und Sallen-Key-Filtern nimmt die Phasenverschiebung in der Nähe der Übergangsfrequenz ab. Das Simulationsergebnis „idealer“ Filter zweiter Ordnung mit einer Übergangsfrequenz von 400 Hz ist in Abbildung 2 dargestellt.

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Der dadurch entstehende „Buckel“ im Phasenverlauf deutet darauf hin, dass sich die Phasendifferenz im Bereich der Übergangsfrequenz recht stark ändert und sich auch die Lokalisierung der scheinbaren Schallquelle entsprechend ändern kann. Das gleiche Bild ergibt sich, wenn die Grenzfrequenz eines der Filter geändert wird, was manchmal bei der Anpassung des Gesamtfrequenzgangs des Systems verwendet wird. Die Phase des vom dynamischen Kopf ausgegebenen Signals hat wenig mit der Phase der an ihn angelegten Spannung zu tun (sie ist für jeden Kopftyp individuell), es ist jedoch wünschenswert, solche Verzerrungen in der Frequenzweiche zu minimieren.

Jeder Filter (sowohl aktiv als auch passiv) verwendet reaktive Elemente – Kapazitäten und Induktivitäten – und führt daher zu Phasen- und Zeitverzerrungen im Signal. LF-Filter (Tiefpass) führen zu Verzögerungen und Phasenverzögerungen im Signal, die bis zu einem gewissen Grad durch den Phasenschieber korrigiert werden können. Durch die Verwendung eines Bessel-Filters zweiter Ordnung in Kombination mit einem solchen Phasenentzerrer kann ein Filter mit einem perfekt linearen Phasengang erhalten werden. Was den HPF (Hochpass) betrifft, bilden sie einen Phasenvorschub, der grundsätzlich nicht mit dem vorhandenen LPF zu vergleichen ist.

Allerdings ist in diesem Fall die Verwendung eines zusätzlichen Funktionsfilters (AFF) zur Bildung des High-Band-Signals möglich. Das Ausgangssignal eines solchen Filters erhält man, indem man vom Eingangssignal den Teil subtrahiert, der den Tiefpassfilter durchlaufen hat. Offensichtlich werden in diesem Fall Phasenverzerrungen kompensiert und die Phasendifferenz der Signale am Ausgang von LPF und FDF bleibt über das gesamte Frequenzband konstant. Allerdings haben die Filter der Zusatzfunktion einen erheblichen Nachteil – die Steilheit des Frequenzgangabfalls beträgt nur 6 dB/Oktave, was manchmal nicht ausreichen kann. Übrigens werden nach diesem Schema Überkreuzungen mit synchroner Anpassung der Übergangsfrequenz benachbarter Bänder durchgeführt. Es wird nur die Tiefpass-Grenzfrequenz angepasst und das Hochfrequenzband wird synchron mithilfe des Hilfsfunktionsfilters geändert.

Um die Grenzfrequenz im aktiven Filter abzustimmen, ist es notwendig, die Werte der Frequenzeinstellglieder synchron zu ändern. Zur stufenlosen Einstellung der Grenzfrequenz werden Potentiometer verwendet. Es lässt sich leicht berechnen, dass zum Abstimmen des Filters zweiter Ordnung ein vierteiliges Potentiometer (für zwei Kanäle) erforderlich ist. Um die Kosten zu senken, verwenden preisgünstige Verstärkermodelle in den letzten Jahren zunehmend vereinfachte Filter zweiter Ordnung, bei denen nur eine Verbindung frequenzmäßig abgestimmt ist. Solche Filter können keinem bestimmten Typ zugeordnet werden, da ein „ideologisch konsistenter“ Filter nur in einer der Extrempositionen des Reglers vorliegt.

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Schließlich kommt im Bassbereich der eingebauten Frequenzweichen einiger Verstärker ein Hochpassfilter mit variabler Güte zum Einsatz, der eine Anhebung des Frequenzgangs im Bereich der Grenzfrequenz um bis zu 10 dB ermöglicht. Diese Lösung macht eine separate Bassverstärkerstufe überflüssig, führt aber gleichzeitig zu erheblichen Phasenverzerrungen. In diesem Fall ist dies durchaus akzeptabel, da bei einer Frequenz von 30 ... 40 Hz die Phasenverschiebung nicht mit dem Gehör wahrgenommen wird.

Im Mittelfrequenzbereich, wo der Phasenmechanismus der Signalquellenlokalisierung funktioniert, ist es jedoch wünschenswert, phasenlineare Filter zu verwenden, um die Frontalszene besser zu konstruieren. Dadurch wird die „Unschärfe“ der Szene beseitigt und die Genauigkeit der Lokalisierung scheinbarer Signalquellen erhöht, insbesondere bei räumlich getrennten Bass- und Mitteltönern.

Veröffentlichung: www.bluesmobil.com/shikhman

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