Zeitverzögerung in Frequenzweichen

[Reim]

Hallo zusammen

gerade interessiere ich mich für verschiedene theoretische Betrachtungen in der Boxenentwicklung, so auch das Thema das Thema der Laufzeiten, im Sinne eine guten Impulswiedergabe. Nicht alles lässt sich ohne Weiteres Beeinflussen, aber was das genau ist, würde ich gern mal diskutieren.

Wie wir wissen, erhalten wir durch die unterschiedlichen Schallentstehungsorte eine zeitliche Differenz der Laufzeiten in der Wiedergabe, hier kann man konstruktiv Einfluss nehmen, was geometrisch vergleichsweise einfach scheint.

Ein Augenmerk lege ich gerade auf die Weiche, die ebenfalls die Laufzeiten zwischen den einzelnen Wegen in der "elektrischen Welt" beeinflusst. Geht man in der Analogie "Strom entspricht Kraft" gedanklich weiter, so entstehen in allen Zweigen die in Serie zum Chassis eine Spule aufweisen, ein der Spannung nachlaufenden Strom. Das bedeutet, dass z.B. der Mittelton gegenüber dem Hochton eine zeitliche Verzögerung aufweist, der Hochtöner also eher bei einem Impuls angesprochen wird als der Mittelton oder der Tiefton.

Diese zeitliche Verschiebung aus der elektrischen Ansteuerung, kommt somit zur oben erwähnten noch dazu, was die Impulsantwort des gesamten Systems beeinflusst.

Nun stellt sich die Frage, ob man diese durch die Weiche verursachte Verzögerung gegenüber dem Hochton, auch in der Weiche selbst berücksichtigen kann, also gezielt den Hochton in seiner elektrischen Ansteuerung verzögert, z.B. durch einen gezielten Allpass im Hochtonzweig?

Viele Grüße
Reim

[Bernd]

Hallo!

Die Idee mit dem Allpass ist möglich. Der unermüdliche Frank hat sowas in seiner aktuellen Folge bei seinem Projekt gemacht. Ebenso zeigt er, wie man mit REW solche Geschichten messen kann. Er steht auch auf "zeitrichtigen" Boxen. Leichter würde es aber wohl mit DSP-Weichen gehen. Da kann man die Verzögerung direkt einstellen und nach einer Messung auch sofort anpassen. Passiv wäre natürlich einfacher, zum Entwickeln ist digital aber viel praktischer. Wenn da Alles passt, könnte man im Anschluss versuchen das Ergebnis analog zu realisieren.

Gruß Bernd

[walwal]

Das hatte Visaton bei der Concorde mk 2 gemacht.


Zeirichtig geht eigentlich nur mit FIR-Filterung. Also aktiv. Denn auch wenn die Phase der Chassis im Übergangsbereich deckungsgleich ist, ist sie um eine Wellenlänge verschoben. Versuche haben aber gezeigt, dass der Aufwand nicht lohnt, man hört es nicht. Nur ev. bei Testsignalen.

[walwal]

Wenn man das Delay macht (Hier mit DSP IIR), geschieht folgendes:

Trennung LR4 ohne Delay, Frequenzgang perfekt, Sprung zeigt, dass der HT dem TMT voreilt


Mit Delay 1 ms ist der Frequenzgang leicht wellig, Sprung besser, aber die Phase zerfleddert,






Phase und Frequenz beeinflussen sich gegenseitig und es wird nie "richtig". Nur mit FIR geht das.

Also: Achte auf Phasengleichheit bei Boxsim bei der Trennung und möglichst auch im Bereich +- 2 Oktaven und alles ist gut.

[walwal]

Ergänzung

So sieht die Sprungantwort der beiden Zweige aus ohne Delay



Der HT Zweig reagiert schneller, der TMT erst nach 1 ms und geht dann sehr langsam nach unten


Jetzt wird der MT um 1 ms verzögert



Und so ist die Summe, man sieht, dass der HT etwas nachschwingt und der TMT viel langsamer abschwingt.
So wäre das "zeitrichtig".

ABER: Das ist nur der Filter ohne Chassis, schon der ist nicht ideal.

[walwal]

https://www.voicepoint.de/Rechteckverhalten

[UweG]

Ich zitiere mal aus dem Dokument:

Ein einfacher Versuchsaufbau aus Sinusgenerator, Verstärker,
Lautsprecher (vorzugsweise Tieftöner), Meßmikrofon in 5 mm
Abstand von der Membran und Oszillograf in x-y Darstellung,
bewertet über die Lissajousche Figur, brachte überraschende
Ergebnisse des Phasenganges der Lautsprecherchassis. (Bild)

Ich stellte fest, daß alle von mir untersuchten Lautsprecher
die Phase des akustischen Signals weitgehend kontinuierlich,
(nur gestört durch Eigenresonanzen) frequenzabhängig verschieben,
um 180° bei von fs ausgehender Frequenzerhöhung um 2-3 Oktaven,
um 360° bei weiterer Frequenzerhöhung um etwa 2 Oktaven.

Das akustische Signal wird also mit zunehmender Frequenz
zunehmend gegenüber der Schwingspulenspannung verzögert.

Wenn es den Verfasser überrascht, dass dynamische Lautsprecher einen Phasengang haben, ist sein Erkenntnisstand wohl eher noch am Anfang.
Der letzte Satz ist sachlich schlicht falsch. Die Phase wandert zwar am Ort des Mikrofons immer weiter nach negativ, aber Gruppenlaufzeit ist dPhi/dOmega und das wird zu hohen Frequenzen hin kleiner, nicht größer.

[walwal]

Der Autor möchte seine "Punktstrahler" verkaufen und verteufelt Mehrwegsysteme. Aber mit den Anmerkungen zur Verzögerung durch Weichen liegt er doch richtig? Eine LR4 Weiche verschiebt die Phase (Zeit) um eine Wellenlänge.
Dann ist die Phase richtig aber eben relativ verzögert. Wenn man das hören könnte, wäre es übel. Tut man aber nicht.

Die Phase eines Mehrwegers oder Breitbänders unterscheidet sich nicht wesentlich, sowohl eine Solo 20 als auch ein Zweiweger zeigen etwa 3 x 180 Grad "Spünge" bei Boxsim.


Links ein 2-Weger, rechts der gleiche LS ohne Weiche und Hochtöner (Quasibreitbänder)-

[derjan]

"zunehmend [...] verzögert" klingt halt so, als steige die absolute Zeitverzögerung in Millisekunden mit steigender Frequenz immer weiter an, ist aber nicht zwingend so.

Machen wir mal ein Beispiel. fs = 100 Hz, Phase zweieinhalb Oktaven darüber (müssten so 566 Hz sein?) relativ dazu um 180° verzögert, Phase 5 Oktaven darüber (3200 Hz) dann um 360° verzögert.

Verzögerung bei 566 Hz = 0,5 * (1/566) = ca. 0,88 ms
Verzögerung bei 3200 Hz = 1 * (1/3200) = ca. 0,31 ms

[UweG]

@walwal: Richtig daran ist: Ein Filter vor einem Lautsprecher verschiebt dessen Phase und ändert damit sein zeitliches Verhalten. Sonst fast nichts.

@derjan: Du unterliegst da, glaube ich, dem gleichen Denkfehler. Aus der Phasenlage bei einer bestimmten Frequenz kann man nicht die Laufzeit errechnen.

@alle:
Berechnung der Gruppenlaufzeit (Formel aus Wikipedia):

Die Gruppenlaufzeit ist die (negative) Ableitung der Phase nach der (Kreis-)Frequenz. Die absolute Lage der Phase spielt keine Rolle.

LR2-Hochpass und LR2-Tiefpass haben bei allen Frequenzen exakt die gleiche Gruppenlaufzeit, aber ihre Phase liegt 180° auseinander. Erst durch Umpolen werden sie phasengleich.

LR4-Hochpass und LR4-Tiefpass haben bei allen Frequenzen gleiche (eigentlich um 360° versetzte) Phase und gleiche Laufzeit. Ihre Gruppenlaufzeit ist im unteren Frequenzbereich konstant ca. 0,44/f_t. Sie steigt dann leicht bis ca. 0,53/f_t bei f = ca. 0,64 * f_t. Bei f_t ist sie wieder 0,44/f_t und sinkt zu noch höheren Frequenzen kontinuierlich ab. Bei f = 2 * f_t ist sie ca. 0,13 / f_t. Bei 5 * f_t nur noch 0,018/f_t.

Vergleicht man die Laufzeit eines LR4-Filterpaars mit der in Wikipedia angegebenen Hörbarkeitsschwelle so liegt da bei 1..2 kHz Faktor 4 dazwischen, also definitiv unhörbar. Bei tieferen Frequenzen sinkt der Abstand, aber da ich nur bis 500Hz herunter Zahlen kenne, könnte es im Bassbereich theoretisch auch hörbar sein. AH sprach mal davon. In realen Wohnräumem wird das nicht der Fall sein, da dort Raummoden eine mindestens 10x höhere Gruppenlaufzeit außerst frequenzabhängig erzeugen. Zu Frequenzen über 2 kHz hin wird der Abstand riesig. Bei 4 kHz liegt die Hörbarkeitsschwelle bei 1,5ms und ein LR4-Pärchen erzeugt bei 4kHz-Trennung 0,11ms.

walwal hat es einfacher formuliert:

Achte auf Phasengleichheit bei Boxsim bei der Trennung und möglichst auch im Bereich +- 2 Oktaven und alles ist gut.

Vielleicht kan man noch Phasengleichheit durch Richtcharakteristik ersetzen, schließlich gibt es Konstruktionen bei denen man absichtlich Phasenungleichheit hinein konstruiert (klassicher D'Appo, Richtcharakteristik im Bass, ..).

[walwal]

Vor einiger Zeit hatte ich mal einen Artikel gelesen, der beschrieb, dass kein LS Rechtecksignale wiedergeben kann, es ist physikalisch unmöglich. Die Weiche verbiegt mit zunehmender Ordnung außerdem das Rechteck zu wildesten Formen - aber man hört es nicht.

Leider find ich den Artikel nicht mehr.

Dazu gab es schon mal eine kurze Diskussion, Uwe schrieb damals, dass man "Phase nicht hört". Dem stimme ich zu.