Akustische und elektrische Phase

[wolfgang520]

Bei den Messungen begegnet uns immer wieder die Phase. Da ich zu diesem Thema bisher keine Erklärungen gefunden habe, möchte ich eine Diskussion anregen.
Der Einfluß der Phase wird bei vielen Lautsprecherkonstruktionen als zwingend zu berücksichtigende Einflussgröße betrachtet. Wie der Phasenverlauf jedoch bewertet werden kann, diese Aussage findet man nicht.
Dazu einige Beispiele:
- ARTA misst die Phase und zeichnet diese frequenzbezogen auf. Auf den ersten Blick erscheint ein fürchterliches Wirrwar. Welche Informationen sich darin verstecken ist nicht erkennbar.
- Frequenzgang und Phase lassen sich von ARTA in Boxsim importieren. Welchen Einfluss hat hier die Phase auf den Frequenzgang und die Weichenentwicklung? Was passiert eigentlich, wenn ich die Phase nicht berücksichtige?
- Limp zeichnet die Phase ebenfalls auf. Dieser Phasenverlauf unterscheidet sich ganz wesentlich von dem ARTA Phasenverlauf. Wie kann ich die Phase, die Limp zeichnet deuten?
- Welche Einflußgrößen stehen mir zur Korrektur des Phasenverlaufs zur Verfügung??

So, nun bin ich meine Sorgen losgeworden. Vielleicht kann mir im Forum jemand dieses Thema näher bringen.

Gruß

Wolfgang

[helli]

Der Wikipediaartikel Phasenverschiebung muesste schon ein paar Deiner Fragen klaeren.

[Violoncello]

Die Phase laut Wikipedia:
http://de.wikipedia.org/wiki/Phase_(Schwingung)

Gut, ich gebe zu, das versteht man auch nur, wenn man vorher weiß, worum es geht .

Grob gesagt gibt ein Phasenwinkel immer einen zeitlichen Versatz zwischen zwei Größen an. Nur dass dieser zeitliche Versatz der Einfachheit halber nicht in Sekunden angegeben wird, sondern in Relation zur Periodendauer.
Man hat einmal in Anlehnung an die Winkelfunktionen definiert, dass eine Periode 360° hat. Ein Versatz von 180° zweier Größen bedeutet also z.B., dass die eine Größe der anderen genau eine halbe Periodendauer hinterherhinkt.

Im Falle der elektrischen Phase (wie LIMP sie misst) bezieht sich diese Angabe auf den Versatz zwischen Strom und Spannung (wir sprechen von sinusförmigem Wechselstrom). Ein Phasenwinkel von 90° bedeutet z.B., dass die Spannung dem Strom um ein Viertel einer Periodendauer vorauseilt. Es handelt sich also um eine Induktivität. Ein Phasenwinkel von -90° bedeutet, dass die Spannung dem Strom um ein Viertel einer Periodendauer nacheilt -> Kapazität. Ein Phasenwinkel von 0° bedeutet, dass Spannung und Strom in Phase sind -> einfacher ohmscher Widerstand. Alles dazwischen sind dann Mischformen mit "eher kapazitivem" oder "eher induktivem" Verhalten.

Im Falle der akustischen Phase ist das Prinzip das selbe, nur vielleicht nicht ganz so leicht zu erfassen. Hier bezeichnet die Phase den zeitlichen Versatz eines wiedergegebenen Sinustons zu "irgendeinem" Bezugspunkt. Und hier liegt die Schwierigkeit: Liegt dieser Bezugspunkt einen Meter hinter der Schallwand, so macht das bei einer 34hz-Welle mit 10m Wellenlänge ein paar Grad Phasenversatz aus. Bei einer 3400hz-Welle mit 10 cm Wellenlänge sind das bereits 10 Perioden, also 3600°. Durch die übliche Beschneidung des Anzeigebereichs auf eine volle Periode entsteht dann das "Gezappel".
Der eigentliche Phasenverlauf des Chassis ist also immer überlagert vom Abstand des SEO zum Bezugspunkt. Wenn für alle Chassis der gleiche Bezugspunkt gewählt wird, stimmt der relative Bezug zwischen den Chassis natürlich trotzdem. Im Sinne er Übersichtlichkeit ist es aber natürlich erstrebenswert, das Gezappel herauszurechnen.

Um dieses Gezappel zu beseitigen, muss man den Bezugspunkt so wählen, dass er möglichst nahe am Schallentstehungsort des gemessenen Chassis liegt. In ARTA geht das über das Setzen des Cursors und des PreDelays.

Welchen Einfluss hat hier die Phase auf den Frequenzgang und die Weichenentwicklung?

Der Phasenbezug zwischen zwei Chassis beeinflusst, wie sich diese akustisch addieren. Vollständige Addition (+6 dB) findet bei 0° Phasenversatz statt. Bei 180° Versatz (Verpolung) geht anschaulich das eine Chassis nach außen während das andere nach innen geht - die Folge ist eine theoretisch vollständige Auslöschung. Bei 90° Versatz resultiert teilweise Addition (+3 dB).

- Welche Einflußgrößen stehen mir zur Korrektur des Phasenverlaufs zur Verfügung??

Bei passiven Weichen: Geschickte Wahl von Bauteilen und Filtercharakteristiken
Beim DSP: Delays

[walwal]

Bei Boxsim sollte der (akustische) Phasengang bei den Trennfrequenzen über einen weiten Bereich möglichst gleich sein. Ergibt optimale Addition der Chassis und auch unter Winkeln ist alles (so gut wie möglich) in Ordnung.

Beispiel:


TT und MT sind von 50-2000 praktisch gleich (Trennung bei 500)
HT und MT von 2000 bis 10000 " (Trennung bei 3000)

Es klappt nicht immer so perfekt, aber man sollte es versuchen. Stimmt das nicht, verschiebt sich auch die Abstrahlrichtung (außer bei D'Appo) in vertikaler Richtung und Impulse werden verschmiert.

[wolfgang520]

Vielen Dank für Eure Hinweise,

ich versuche das für mich nochmal zusammenzufassen.
"Limp" zeigt mir die elektrische Phase an, die durch passive Bauteile der Frequenzweiche erzeugt wird.
"ARTA" zeigt mir die Summe aus akustische Phase und elektrischer Phase auf, also die hörbare akustische Addition.
Bei der Frequenzweichenberechnung in Boxsim sollen die Phasenverläufe der Chassis insbesondere im Übergangsbereich möglichst dicht beieinander liegen. So wäre z.B. erkennbar ob das Umpolen eines Chassis ein sinnvolles Ergebnis bringen kann (wobei ich dies am Frequenzgang ebenfalls erkenne).

Nun noch etwas zur Darstellung. Violoncello schreibt:

Um dieses Gezappel zu beseitigen, muss man den Bezugspunkt so wählen, dass er möglichst nahe am Schallentstehungsort des gemessenen Chassis liegt. In ARTA geht das über das Setzen des Cursors und des PreDelays.

Die Aussage habe ich bei HiFi-Selbstbau ebenfalls schon gelesen. Aber wie sieht das praktisch aus? Setze ich das Gate direkt vor den Impuls?

Gruß

Wolfgang

[F.H.]

Die Aussage habe ich bei HiFi-Selbstbau ebenfalls schon gelesen. Aber wie sieht das praktisch aus? Setze ich das Gate direkt vor den Impuls?

Kommt darauf an, was Du machen willst.

1. Wenn Du Dir nur den Phasenverlauf möglichst übersichtlich anschauen möchtest, dann setze das Gate direkt vor den Impuls. Dann wirst du feststellen können, dass die Kurve der Phase im direkten Zusammenhang mit der Amplitude steht. Dort, wo die Amplitude eine Störung hat (z.B. eine Membranresonanz), hat die Phase auch eine Störung im glatten Verlauf. Die Betrachtung der Phase hat aber für eine Weichenentwicklung kaum eine Bedeutung. Da reicht es einzig und allein aus, dafür zu sorgen, dass es im Übernahmebereich eine möglichst gute Addition gibt. Man prüft das, indem man ein Chassis verpolt. Dann sollte es eine perfekt Auslöschung geben. Das alles kann man machen, ohne sich den Phasenverlauf anzusehen.

2. Willst Du Daten als Grundlage für ein Simulationsprogramm (z.B. Boxsim) erstellen, dann reicht es nicht aus, die Phase zu messen (mit Gate vor dem Impuls), sondern man muss zusätzlich noch den Schallentstehungsort messen und dem Programm mitteilen. Warum? Wenn man z.B. einen Konusmitteltöner mit einen Magnetostaten (z.B. MHT 12) kombinieren will, dann spielt es eine Rolle, wo der Schall entsteht. Beim Konus ist ein Wert von 40 mm hinter dem Montageflansch typisch, beim Hochtöner dagegen nur 10 mm. D.h., der Schall muss beim Konus 30 mm weiter laufen als beim Hochtöner. Das kann je nach Trennfrequenz einen beträchtlichen Phasenunterschied ausmachen, der vom Simulationsprogramm berücksichtigt werden sollte. Dies alles ist in der Boxsim-Datenbank bereits enthalten.

[wolfgang520]

In der Zwischenzeit habe ich noch ein gutes Beispiel für die Konstruktion eines phasenrichtigen Lautsprechers gefunden:
http://www.referenzboxen.de/index_hi...grange_98p.htm

Herr Strassacker hat die Phase beim Zweiwegesystem Lagrange anfangs durch Umpolen eines Chassis erreicht. In einer verbesserten Version wurden dann der HT und der TMT axial verschoben und die Umpolung zurückgenommen.
Bei einer ARTA Messung müsste die Verbesserung im Phasengang erkennbar sein.

Gruß

Wolfgang

[walwal]

Vorsicht! Auf dem Gebiet wird viel geschwurbelt und behauptet. Auch die Sprungantwort sagt nichts über den Klang eines LS aus. Eindeutig schädlich sind jedoch solche Kanten wie in der gezeigten Box. Und das wirkt auch nur auf Achse, dreh mal die Box um 90 Grad, da ist der Versatz weg.

[wolfgang520]

Hallo Friedemann,

diese Aussage war für mich besonders interessant:

Die Betrachtung der Phase hat aber für eine Weichenentwicklung kaum eine Bedeutung.

Damit lässt sich auch erklären, warum Herr Strassacker bei der "Lagrange" in der phasenrichtigen Version die Frequenzweiche unverändert belassen hat. Lediglich die Verpolung wurde wieder rückgängig gemacht.

Mit der Phase konzentrieren wir uns also in unserer Betrachtung auf den Übernahmebereich und bringen also entweder die SEO in Übereinstimmung oder verschieben diese so, dass die Phasen übereinander liegen und sich nicht auslöschen. Die elektrische Verschiebung der Phase ist natürlich zu berücksichtigen.
Der Pkt. 2 ist für mich einleuchtend, wenn ich die Einzelchassis messe.

Gruß

Wolfgang

[walwal]

Hier ist einiges zum Thema, allerdings in englisch:

http://sound.westhost.com/ptd.htm

Laut F.E. Toole interessiert nur die Phasenbeziehung im Bereich der Trennfrequenz.

[wolfgang520]

Hallo WalWal,

das ist schon sehr umfangreiches Material, da habe ich morgen mit der Übersetzung einiges zu tun.
Herzlichen Dank

Wolfgang

[fabi]

Das Konzept des "Schallentstehungsorts" ist eher als eine Krücke zu verstehen - nützlich für Simulationsprogramme. Letztlich ist es nichts anderes, als ein willkürlicher Bezugspunkt für den Phasenverlauf. Jeder andere Punkt ist genauso "richtig", solange alle Werte relativ zu ihm sind, auch wenn die Kurven mehr "zappeln". Tatsächlich wandert der Schallentstehungsort räumlich etwas mit der Frequenz und genau das zeigt der Phasenverlauf an.

Da man in aller Regel annehmen kann, dass Lautsprecherchassis innerhalb ihres Arbeitsbereichs minimalphasig arbeiten, ist derjenige Phasenverlauf der "richtige", der dem der berechneten Phase (nach Hilbert aus dem Amplitudenverlauf) am nächsten ist. Alles andere wird dann als frequenzunabhängiges, exzessives Delay betrachtet. Hier kann man den SEO setzen.

Ohne sich zu sehr um die mathematische Definition zu kümmern, ist die Gruppenlaufzeit eigentlich anschaulicher: Frequenzabhängiges Delay. Wenn man das in Relation zur Frequenz setzt (wievielen Perioden entspricht dieses Delay?), hat man den Phasenverlauf. Da es für die Addition zweier Sinussignale egal ist, ob man 360° addiert oder subtrahiert, reicht es, die Phase zwischen +-180° darzustellen. Für die Klangeigenschaften ist es aber sehr wohl interessant, ob die Signale zweier Quellen mit mehreren Perioden Zeitversatz am Ohr ankommen!

Grüße!

[wolfgang520]

Hallo fabi, Hallo walwal,

zu diesem Thema muss ich meine Gedanken mal ein wenig sortieren. Basis ist die sehr verständliche Aussage der Seite: http://sound.westhost.com/ptd.htm.
Danach hat eine Phasendifferenz im Übernahmebereich auch immer Einfluß auf den Frequenzgang. Da in Boxsim die Phase berücksichtigt wird, müsste ich im Frequenzgang Phasenfehler erkennen können. Mit Verändern der Schallentstehungsorte wäre ersichtlich, ob es sich um einen Phasenfehler handelt. Die Bestätigung erhalte ich dann, wenn ich den Phasenverlauf betrachte.
Änderungen lassen sich z.B. über die Filtersteilheit erreichen.
Nun zur Gruppenlaufzeit. Zwischen Phase und Gruppenlaufzeit besteht doch ein direkter Zusammenhang. Da man die Phase über Boxsim beurteilen und korrigieren kann, ergibt sich die Frage, ob mir die Gruppenlaufzeit noch weitere Erkenntnisse vermittelt?

Gruß

Wolfgang

[walwal]

Dazu kann fabi mehr sagen als ich. Die GLZ muss innerhalb bestimmter Werte sein, sonst wird es hörbar. Die überwiegende Mehrzahl der Experten sagt: Übliche Weichen (aktiv und passiv) habe GLZ weit unter der Hörgrenze, nur"pathologische" Weichen liegen darüber. Nur im Bass können durch große GLZ die Effekte hörbar werden.

Ich kenne Berichte von Hörtests, die sogar FIR (also perfekte GLZ) nicht heraushören konnten.

[fabi]

Korrekt, sobald mehrere Quellen spielen ist der Summenfrequenzgang immer die Summe der Einzelquellen, die nach Betrag und Phase addiert werden. Die relative Phase der Chassis ist also im Übernahmebereich interessant. Maximale Addition von +6dB ergibt sich, wenn zwei Chassis genau gleichphasig abstrahlen. In BoxSim sieht man, ob es eine schöne "Füllung" der beiden abfallenden Flanken gibt. Auch bei gleichem Amplitudenfrequenzgang sind Unterschiede sehr deutlich hörbar.

Die Gruppenlaufzeit lässt sich direkt aus dem Phasengang berechnen, es ist nur eine andere Darstellungsform. Das ist dann sinnvoll, wenn man sich vergleichsweise große Phasenverschiebungen / Delays anschaut. Der Phasengang springt dann ständig von -180° auf 180° und man kann im Diagramm nichts erkennen. Für die Lautsprecherentwicklung ist die Gruppenlaufzeit ziemlich uninteressant, nur bei sehr großen Bassreflexresonatoren oder langen Transmissionslines kommt man in den Bereich, in dem die absolute Gruppenlaufzeit kritisch wird.

Wichtig ist die Gruppenlaufzeit ganzer Lautsprecherboxen, etwa wenn man einen Subwoofer integrieren will.

Wie schon erwähnt, kann man mit FIR-Filtern die Gruppenlaufzeit über alle Frequenzen auf einen konstanten Wert erhöhen. Dann kommen wenigstens alle Frequenzen gleich spät. Leider gibt es dabei andere, potentielle Nachteile. Das führt bestimmt zu weit.

viele grüße!