Frage zur Phase

[Phasenfrager]

Hallo,

ich habe ein Problem mit dem Verständnis der Phasenlage bei Lautsprecherboxen. Ich habe im Physikunterricht gut aufgepasst und weiß, wie die Phasenlage grundsätzlich definiert ist, die akustische Phase verstehe ich aber nicht!

Was genau gibt sie denn an?

Wenn man eine akustische Phasenmessung macht, dann rechnet man ja oft den linearen Anteil raus, also die Zeitdauer, die der Schall für alle Frequenzen gleich braucht. Sonst sieht man ja nur wildes gezappel und ständige Sprünge die zu hohen Frequenzen hin immer schlimmer werden.

Dann hat man also einen Phasenverlauf, der meistens so zwei bis dreimal springt und (bei schlechten Boxen ) den ganzen Bereich von +180 bis -180 überstreicht. Ein positiver Phasenwinkel heißt aber auch, dass das Signal früher kommt, richtig? Ja früher als was denn? Als das Referenzsignal auf dem anderen Messkanal? Das kann doch nicht sein!

Relativ zu was wird der Phasenwinkel denn dann überhaupt angegeben? Relativ zum Gesamtsignal das enstehen würde, wenn der lautsprecher alle Frequenzen gleichlaut wiedergeben würde? Also relativ zu den Nulldurchgüngen bei weißem Rauschen?

Bitte helft mir auf die Sprünge!

Der Phasenfrager

[harry_m]

Wenn ich mich nicht täusche, so wird die Phasenbezig zum Sinussignal von 1000Herz gesetzt.

[UweG]

Wenn hier die Ausgaben aus Boxsim gemeint sind, dann ist die Phasenlage jeweils relativ zu einer Schallquelle mit Phasenlage 0° und Position (Schallentstehungsort) genau auf der Schallwand angegeben.
Auf der Seite "Phasengang" kann man auch einen anderen Bezug (vor oder hinter der Schallwand) eingeben. Man sieht dann schön wie die Springerei sich verbiegt. In Wirklichkeit sind die Unterschiede nur Laufzeitunterschiede.

[Phasenfrager]

So einfach scheint die Frage garnicht zu sein...

Wenn das stimmt was Harry sagt, dann müßte die Phasenlage nach Entfernung der Linearphase bei 1kHz ja immer Null sein. Das ist aber ja garnicht so.

UweG, ich meinte jetzt garnicht speziell auf Boxsim (Ein Simulationsprogramm?) bezogen, sondern auch die Diagramme die man bei Klang und Ton oder in HobbyHifi sieht. Es muß doch da auch so eine Regel geben, wie beim Frequenzgang, dass man halt in einem Meter und bei einem Watt mißt, damit das vergleichbar ist.

Wenn man jetzt bei 50Hz zufällig gerade 0° hat. Und bei 100Hz 90°, dann kommt der 100Hz Ton früher. Die Periodendauer von 100Hz ist 10ms, 90° ist das Viertel einer vollen Periode, also 2,5ms.

Man kann bei einem solchen Diagramm also sagen, dass der 100Hz Ton bei einem Gleitsinus 2,5ms früher am Mikrofon eintrifft, als der 50Hz Ton.

Hab ich es bis hier her richtig verstanden?

Aber hier habe ich ja die 0° jetzt einfach mal so angenommen. Wer legt die bei den offiziellen Messungen der Zeitschriften fest? Wo ist der Bezug?

Vielleicht kann VISATON dazu was sagen? Der ihr ATB kann das doch sicher auch messen!

Der (immernoch verwirrte) Phasenfrager

[harry_m]

Phase ist grunsätzlich eine sehr relative Angelegenheit. Jeder darf festlegen, wo der "Anfang" bzw. "Nullpunkt" ist. Das ist jedoch unwichtig.

Die gängige Programme messen die Phase bestimmt nicht. Sie wird aus dem Amplitudengang errechnet. Als ich noch die Regelungstechnik studieren dürfte, wusste ich sogar wie es gemacht wird. Müsste mal im Tietze/Schenk nachschlagen.

Irgendwo gab es mal eine Abhandlung, die bewisen haben soll, dass ein Lautsprecher ein als Minimaphasensystem dargestellt werden kann. Daraus wird eben die Möglichkeit abgeleitet. zwischen dem Amplituden- und Frequenzgang einen Zusammenhang herzustellen.

Da müsste es UweG besser wissen: er war damit in den letzten Monaten und Jahren beschäftigt.

(... Verdammt lang her... Nicht zu glauben, dass ich es mal tatsächlich wusste...)

[Farad]

@harry_m

ARTA mißt im 2-Kanal Modus die Phase tatsächlich. Wenn man ein Chassis umpolt, dreht sich auch die Phasenlage, obwohl der Frequenzgang natürlich gleich bleibt. Ob sie bei der 2-Kanal Impulsantwort gemessen, oder berechnet wird, weiß ich nichtmehr, ich kann mich aber erinnern, dass ich Phasenmessung vor ein paar Wochen im 2-Kanal-FG-Modus gemacht habe, wohl nicht ohne Grund.

Der Phasengang kann über die Hilberttransformation aus dem Amplitudenspektrum berechnet werden. Die ist aber bei einem Mehrweglautsprecher ganz sicher nicht der Fall. Bei einem Lautsprecherchassis ist dies im interessierenden Frequenzbereich möglich.

Eine Box mit linearem Frequenzgang müßte immer auch einen linearen Phasengang haben. Wir wissen alle, dass das nicht stimmt. Mit ARTA kann man das leicht ausprobieren.

Erst macht man eine 2-Kanal-Messung konvertiert das Ergebnis in eine Impulsantwort. Jetzt hat man sicher die richtige Phase gemessen.

Nun setzt man den Marker so spät, dass sich der Frequenzgang gerade noch nicht ändernt. Nun hat man den linearen Phasenanteil ausgeblendet. Wenn man nun auf die Phasendarstellung geht, müßte das viele Springen schon weg sein. Wenn man jetzt aber auf "Minimum-Phase" umstellt ändert sich der Phasengang. Bei einem tatsächlich Minimalphasigen System darf das nicht sein. Normaler Lautsprecherboxen sind Systeme exzessiver Phase. Denke nur mal an die Concorde, die sogar einen Allpassfilter (das Paradebeispiel für exzessive Phase!) im Hochtonbereich verbaut hat.

@Phasenfrager
Ehrlichgesagt weiß ich es auch nicht genau. Was aber sicherlich richtig ist: Die Signalverzögerung/Phase wird angegeben relativ zu der einen Frequenz, die eben im Diagramm gerade 0° hat. Der der absolute Wert ist wohl nicht so entscheidend, ich habe mal auf die Schnelle auch keine saubere Definition gefunden. Vielleicht müßte man bei den Meßsystemherstellern mal nachfragen, was genau sie da eigentlich messen. Insbesondere ATB-PC wirbt ja damit, reproduzierbare Phasengänge messen zu können und absolut ohne dass der Benutzer eine Ahnung davon zu haben braucht.

gruß, farad

[UweG]

Das ATB Professional bei VISATON misst auch die Phase und zwar je nach Einstellung eine andere. Die verschiedenen Phasengänge unterscheiden sich durch die Definition der Phasennulllage und durch die angenommene Ebene der Schallentstehung.
Wenn man (wie ich) mit den gemessenen Phasenverläufen weiterrechnen will, ist man natürlich darauf angewiesen, dass die Messbedingungen bekannt sind und sich verschiedene Messungen miteinander in Beziehung bringen lassen.
Bei VISATON-Messungen ist die Phasennulllage definiert als die Phasenlage bei der eine Membranvorwärtsbewegung einen Negativbewegung des Amplitudenverlaufs verursacht. Dies ist normalerweise dann der Fall, wenn man oberhalb der Resonanzfrequenz ist aber noch unterhalb der Frequenz bei der die Schwingspuleninduktivität zuschlagt, also quasi der normale Arbeitsbereich eines Chassis. Die Ebene, auf der die Schallentstehung angenommen wird, wird bei den VISATON-Messungen mit angegeben, nämlich als Schallentstehungsort, früher in der alten Chassisdatenbank SEO genannt. 40mm SEO bedeuten, dass sich der angegebene akustische Phasenverlauf auf die Ebene 40mm hinter der Schallwand bezieht.

Wo sich genau 0° Phase befinden ist also im wahrsten Sinne des Wortes relativ.

[VISATON]

Stimmt, hier ist alles relativ. Ich will mal beschreiben, wir wir mit ATB die Phase messen: Wir positionieren das Mikro mit Hilfe einer Vorrichtung auf den Millimeter genau in 40 cm Abstand zur Schallwand. Die 40 cm sind willkürlich definiert und haben nur praktische Gründe der Handhabung. Dann gibt ATB einen Ton-Burst ab, der vom Mikro aufgenommen wird und im Zeitbereich auf dem Schirm dargestellt wird. Da sieht man dann schön die Laufzeit des Schalls über die 40 cm und zusätzlich die Laufzeit, die der Schall von seinem Entstehungsort hinter der Schallwand zurückzulegen hat (bei großen Tieftönern etliche cm). ATB zeigt die Laufzeit in Millimetern an. Diesen Wert notieren wir. Dann wird die Messung bezogen auf das elektrische Eingangssignal gemacht. Die Kurve wandert oft, wie in anderen Beiträgen schon beschrieben, von + 180° zu - 180° und darüber hinaus. Jetzt exportieren wir die Kurve in ein spezielles Boxsim-Chassis-Tool, das UweG uns freundlicherweise programmiert hat , und verschieben rechnerisch den Schallentstehungsort. Dadurch kann man die Lage der Kurve soweit verändern, dass sie im Arbeitsbereich parallel zu x-Achse verläuft und meistens ist alles zwischen + 180° und - 180° zu sehen. Damit haben wir dann den Bezugspunkt der Messung auf den Ort der Schallentstehung hinter die Schallwandoberfläche verlegt. Wo der Punkt genau ist, spielt keine Rolle, weil wir die Millimeter angeben, die dann bei der Simulation mit Boxsim verechnet werden. Übrigens werden alle Chassis bündig in der Schallwand gemessen. Wenn das nicht möglich ist (keine Brett vorhanden), wird bei der Phasenmessung der Versatz bei dem Schallentsehungsort verrechnet.

Jetzt noch die Antwort auf die Frage, warum die eine Frequenz nicht schneller am Mikrofon ist, als die andere, obwohl die Phasenmessung das suggerieren könnte. Die Phasenmessung gilt nur für eingeschwungene Vorgänge. Bei Impulsmessungen kann man sehen, dass der Schall bei allen Frequenzen gleichzeitig eintriift, es sein denn, er wird von unterschiedlichen Orten auf der Membran erzeugt.

[harry_m]

Original geschrieben von VISATON
Die Phasenmessung gilt nur für eingeschwungene Vorgänge.

So trivial, wie das klingen mag, so oft wird es auch vergessen...

[Phasenfrager]

Danke für die Beiträge, schlauer werde ich leider noch nicht so richtig. Es scheint tatsächlich komplizierter zu sein, als ich dachte.

Wo genau der Schallenstehungsort bei einem einzelnen Chassis dann liegt, ist wohl egal. Da alle Frequenzen gleich lange bis zum Mikrofon brauchen, kann dies ja ebenfalls als Linearphase bezeichnet werden und abgezogen werden.

Was dann übrig bleibt, ist ein Phasenverlauf von +180° nach -180°, der bei allen Chassis in etwa gleich aussieht und in der Mitte ziemlich gut aussieht. Warum macht man denn dann die Phasenmessungen übernaupt? Welche Aussagekraft haben die dann in den Zeitschriften? Man weiß doch garnicht worauf sie sich beziehen! Schon eine minimal andere Annahme des Schallenstehtungsortes verzerrt ja die Phasenmessung enorm, weil ein kleiner Linearanteil sich zu hohen Frequenzen hin ganz stark auswirkt.

Wenn ich das richtig verstanden habe, können die Messprogramme, die mit einem schnellen Signal, also im ungeingeschwungenen Zustand die Impulsantwort messen immer nur die Phase berechnen. Das ist aber ja auch so, wie man dann später, hört, oder wie? Also wäre die Minimalphase ja doch die interessante, oder stimmt die dann auch nicht?
Warum ist das denn überhaupt was anderes als im eingeschwungenen Zustand? Da kommt ja der eine Nulldurchgang wohl wirklcih früher oder später an als der andere. Also wenn man es über die Fouriertransformation zerlegt. Im eingeschwungenen Zustand spielt es aber ja wieder garkeine Rolle, weil ja sowieso ständig eine neue Welle kommt und man die Phasenverscheibung garnicht hören kann.

Welche Bedeutung hat sie dann? Warum scheint sie manchen Leuten so wichtig und andere sagen immer bloß, dass sie ausser im übernahmebereich keinen Einfluß hat?

VISATON sagt, sie sei weitestgehend egal, mißt aber mit Equipment von Kirchner Elektronik, und die sagen, die Phase sei total wichtig.

Der Phasenfrager

[harry_m]

Original geschrieben von Phasenfrager
..Warum macht man denn dann die Phasenmessungen übernaupt?

In einem alten K&T Heft gab es mal einen sehr ausführlichen Artikel zum Thema "Phase und ihre Hörbarkeit".

Dort wurden auch Untersuchungen vorgestellt, die Beweisen, dass unser Gehör die Phase kaum wahrnehmen kann.

Die Phase einer Box ist beim Hören eigentlich unwichtig. Wo sie ohne jeden Zweifel von Bedeutung ist? Bei der Lautsprecherentwicklung. Ohne Berücksichtigung der Phasenlage im Übernahmebereich ist die Weichenentwicklung schlicht unmöglich. Hier hat meiner Meinung nach auch Boxsim ein Problem: die meisten Unstimmigkeiten zwischen der Simulation und der Realität lässt sich damit sehr gut erklären.

[Moppel]

Wir haben Signale, z.B. Schall. Schall ist Welle. Wellen sind Zustände von Materie. Zwei Zustände können sich überlagern, "in Phase" oder "out of Phase". Sind zwei Zustände out of Phase, ändert sich die Wellenform, die Welle wird "verzerrt".

Wir hören also nicht Phase, sondern verzerrte Wellen.

Nur mal so kurz gedacht.....

[Lonzo]

Ich halte dieses ganze Getue um die "Phase" eh für Mumpitz!
Schon alleine das Heranziehen des Begriffs Phasenverschiebung etc., hallte ich für recht irreführend.
Meiner Meinung nach würden Bezeichnungen wie Laufzeitdifferenz, Wegstreckenunterschied oder Signalvoreilung- bzw. Signalnacheilung viel besser den Kern treffen.

Bei Konus oder Kalottenmembranen ist die Laufzeit über Frequenz aufgrund ihrer Formen eh nicht konstant. Hinzu kommen dann auch noch z. B. Biege- oder Partialschwingungen usw. mit verschiedenen Laufzeiten die eine Vorhersage über die zeitliche Verzögerung eines Chassis bei einer bestimmten Frequenz nahezu unmöglich machen.
Nicht nur deshalb bin ich auch der Meinung, dass die „Phase“ nicht von soo großer Bedeutung ist.

Das soll jetzt aber nicht heißen, dass man Laufzeitunterschiede der einzelnen Chassis einer Box völlig außer acht lassen kann!

Z. B. Sollten in einem Mehrwegesystem die Chassis im Übernahmebereich schon miteinander und nicht gegeneinander arbeiten.

Gruß, Lonzo

[harry_m]

@Lonzo:

was ich bis jetzt zu diesem Thema las, legt den Schwerpunkt wohanders hin. Es geht bei der Frage der akustischen Phase nicht darum, was und wie wir messen, sondern darum, dass unser Gehör diese Signale ganz anders auswertet und filtert, als die uns zur Verfügung stehende Gerätschaften.

Das mit Biege- bzw. Partialschwingungen spielt eine untergeordnete Rolle. Den Beweis kann man sich beim Vergleich Manger/B200 holen. Der Klangunterschied fällt erstaunlich gering aus: obwohl es vom Prinzip her schon sehr unterschiedliche Ansätze sind.

[Lonzo]

Hallo Harry,

ging es nicht zwischendurch auch um die Frage, warum ATB die Phase messtechnisch für sehr wichtig und Visaton für weniger wichtig hält?

Breitbänder und der Manger haben ja auch etwas gemeinsam! Und zwar sind es die kontrollierten Partialschwingungen.
Denn beide Typen sind nichts anderes als „Partialschwinger“.
Sie arbeiten beide nicht kolbenförmig! Das kann man wunderbar am Wasserfalldiagramm sehen. Aus dem Grund konnte ich mich auch noch nie so richtig für beide Typen begeistern.

Gruß, Lonzo