Güte von Filtern

[Pete 0]

Hallo!

 

Kann mir jemand erklären, was die "Güte" von Filtern in passiven Frequenzweichen aussagt, welche Faktoren eine Rolle spielen und wie man sie berechnet und abstimmt?

 

Beim Gehäuse kann ich mir das mit der Güte ja noch ganz gut vorstellen - wenn der Treiber in Verbindung mit seinen elektrischen und mechanischen Parametern mangels Volumen kaum noch Luft zum "atmen" hat (hohe Einbaugüte) oder mit zuviel Platz im Rücken lasch vor sich her baumelt (niedrige Einbaugüte)...

 

Bei einem passiven elektrischen Filter, z.B 1. Ordnung KANN es doch nur eine Möglichkeit an Bauteilwerten für C und L geben, nämlich die, an der der Schalldruck der Einzelchassis jeweils 6dB unterhalb des Bezugspegels am Kreuzungspunkt der Übernahmefrequenz liegt, weil nur hier Phase und Amplitude sich sinnvoll addieren - wobei das sonstige Verhalten der Chassis die Filter einen feuchten Dreck interessieren dürfte...(oder?)

Wie kann ich da die "Güte" variieren?

 

Hmmm, wenn ihr mich jetzt mit Integralen und Differenzialgleichungen zuschmeisst, bitte mit Erklärung!

 

...erwartungsvoll

Pete

 

[Pete 0]

Hallo!

 

Hab´n bisschen bei ein paar Bierchen gegrübelt und fange an, doch etwas zu verstehen; Bei einem 6dB/Oct.-Filter dürfte das mit der Güte wirklich nicht variabel sein...ab Filter 2. Ordnung vielleicht schon (bitte um Korrektur!):

 

Analog zu meiner "Gehäuse-Theorie":

 

Ich nehme ein HP aus meinem Visaton-"Handbuch der Lautsprechertechnik" Werte für einen Hochpass nach "Butterworth-Charakteristik" (Was immer das heissen mag...); L=0,4mH, C=14müF bei ft = 2000 Hz-> Wenn ich nun den Wert von C leicht erhöhe und L etwas grösser mache, müsste effektiv die gleiche Ft rauskommen. Der Unterschied ist, das L im Verhältniss zu C jetzt die Filterwirkung mehr beeinflusst, und da L parallel zum HT liegt, "schluckt" dieser mehr Leistung und, (von mir irgendwie abstrahiert) somit Kontrolle,also Dämpfung, vom Verstärker...

Der Treiber wird somit "elektrisch schlechter (als vom Ausgangsfilter) bedämpft", die Güte sinkt.

 

Andersherum (C grösser, L kleiner) steigt die "Kontrolle" vom Verstärker, die Güte nimmt zu.

 

-> im Extremfall halt L=0, also ein Filter 1. Ordnung. Aber ich möchte doch gerade beste elektrische Kontrolle vom Verstärker haben !!!

 

Spricht für ein Filter mit 6 dB/Oct...

 

Ach ja:

Je steiler das (passive) Filter, desto grösser die Phasendrehung pro Frequenzabschnitt (z.B. alle 100Hz). Wenn ich also ein Filter niedrigerer Ordnung einsetzte, ist der Übergangsbereich, in dem ich Phasendrehungen erhalte, zwar grösser - dieselben aber geringer. Wenn das Filter höherer Ordnung ist, ist der Übergangsbereich zwar schmaler, die Drehungen aber um so heftiger!

-> versucht man nicht auch, bei der Mechanik von HiFi-Geräten, lieber eine gleichmässige Verteilung von vielen kleinen, aber kontinuierlich verlaufenden Resonanzen im Übertragungsbereich statt einer einzigen, aber heftigen zu erreichen??? (ist zwar nicht ganz dasselbe, aber irgendwie analog zu meiner Argumentation...)

 

->Spricht wieder für 6dB/Oct.!!!

 

Weil ich schon gerade so für Filter 1. Ordnung propagiere...

 

- jedes überflüssige Bauteil im Signalweg kann nur schaden (weniger ist oft mehr)

 

- die Neigung der Abstrahlachse eines Systems 1. Ordnung Richtung TT/TMT (siehe voherige Postings) resultiert nicht aus Phasenfehlern, sondern eben aus möglichst unbeeinflusster Phasenrichtiger (nicht gleich zeitrichtiger!!!) Abstrahlung aufgrund der Baubedingten versetzten Akustischen Zentren von TMT und HT bei Einbau in einer geraden Schallwand (Lösung: Richtung HT weggekippte Schallwand, sodaß HT und TMT/MT wieder auf einer senkkrechten Achse liegen...)

 

Kann auch sein, das meine Theorie komplett Käse ist, nach ein paar Bierchen und so.......

 

 

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MfG

Pete

 

[Pete 0]

---

 

[Hörma 0]

Hallo Pete

 

Die überlegen jetzt, wie man dir helfen kann.

Der, oder das einzige "Filter" ist der - oder das, mit dem man seinen Kaffee aufbrüht.

Die Problematik ist nicht in 5 min zu klären.

 

Gruss Walter

 

[Ernesto 0]

Hallo!

 

Selbst wenn ich Dir die Formeln hinschmeisse und erkläre, macht es m. E. wenig Sinn. Beim Butterworth 6dB-Filter schneiden sich die Flanken übrigens bei -3dB.

Die Filtergüte kannst Du ab Filtern 2. Ordnung sprich 12dB/Okt. variieren. Eine Aussage wie "das Bessel-Filter in unseren Lautsprechern sorgt für eine exakte Phasenlage/ Räumlichkeit etc." ist völliger Schwachsinn, da wir nun einmal in der Realität mit nicht idealen Chassis und Bauteilen leben.

Das heisst, dass eine möglichst gleiche akustische Phasenlage der Chassis beim Übernahmepunkt ausschlaggebend ist. Das kann man z. B. durch Änderung der Filtergüte beim Hochpass mit Hilfe der Parallelspule oder durch den in Reihe zum HT liegenden Widerstand beim Spannungsteiler erreichen. Beim Tiefpass kann man je nach Anwendungsfall auch ein "entschärftes" 12 dB-Filter verwenden, indem man in Reihe zum Parallelkondensator einen niederohmigen Widerstand einlötet. Dadurch wird die Phasenlage des TT nicht so stark "gedreht" bzw. beeinflusst. Aber wie gesagt, hängt es immer vom Anwendungsfall ab.

Es gibt kein Allheilmittel... ;-)

 

 

Grüsse

 

Ernesto

 

[BK 0]

Hallo,

 

wo wir hier gerade beim Thema sind:

 

Wie ist das mit dem Impulsverhalten von Weichen ?

 

 

Folgendes Zitat:

 

KRITISCHE FILTER weisen über alle Filterstufen hinweg ein optimales

Q von 0.5 auf. Filter mit kritischer Dämpfung haben deshalb auch ein

sehr gutes Impulsverhalten. Sie haben praktisch kein überschwingen.

Der Nachteil: Im Übergangsbereich kippen sie sehr langsam weg und

benötigen daher Lautsprecher-Chassis mit sehr guten Frequenzgängen

auch im Übergangsbereich.

 

BESSEL FILTER besitzen ein optimales Rechteckübertragungsverhalten.

Die Gruppenlaufzeit ist über einen weiten Frequenzbereich konstant.

Die Phasenverschiebung in diesem Frequenzbereich ist proportional

zur Frequenz. Auch Bessel-Filter stellen hohe Ansprüche an den

Frequenzgang von Lautsprecher-Chassis. Der Amplituden-Frequenzgang

kippt nicht so scharf ab wie bei einem Butterworth-Filter. Bessel-

Filter werden gelegentlich auch Thomson-Filter genannt.

 

BUTTERWORTH FILTER haben einen Amplituden-Frequenzgang der im Vergleich

mit den anderen Filtertypen sehr lange horizontal verläuft. Er knickt

erst kurz vor der Grenzfrequenz scharf ab. Im Vergleich mit den erst-

genannten Filtertypen ist das Überschwingen bei Butterworth-Filtern

bereits beträchtlich. Allerdings setzt es weniger hohe Anforderungen

an die Linerarität der verwendeten Lautsprecher im Übergangsbereich.

 

LINKWITZ-FILTER sind eigentlich cascadierte Butterworth-Filter.

Ein 24dB Linkwitz-Filter besteht aus zwei hintereinander geschalteten

Butterworth-12dB-Filtern. Im Übergangsbereich ist ihr Verhalten eine

Kombination aus Bessel- und Butterworth-Charakteristik. Sie knicken

ähnlich langsam weg wie Besselfilter, folgen dann aber schnell der

Butterworth-Charakteristik. Linkwitz-Filter werden dann eingesetzt,

wenn im Zusammenspiel zweier oder mehrere Lautsprecher-Chassis auf

Phasenstabilität auch im Übergangsbereich der Lautsprecher geachtet

werden muss (Stichwort: Abstrahlcharakteristik).

 

 

So, nun dünkelt es mir, das das Überschwingen bei Linkwitz dann noch beträchtlicher ist, da es sich ja um hintereinandergeschaltete Butterworthe handelt.

 

Ist dem so ?

 

Zweite Frage: Da gibt es wohl eine aktive Filterschaltung, mit der man die untere Grenzfrequenz und den Q einer Bassbox ändern kann ?, ist u.a. mit dem Programm zu berechnen + Schaltplan.

 

Ausserdem alle möglichen Filter:

 

http://www.sherlab.com/download/filter.zip

 

Nur checke ich es nicht so ganz...

 

Das Programm hat zumindest bei mir einen Haken: Ich muss 20 mal starten bevor es läuft (DOS) , immer runtime error...

 

Grüsse, Bernhard

 

 

 

[deafjoe 0]

Bei Filtern 1.Ordnung kann man nur 1 Bauteil und dadurch nur die Grenzfrequenz ändern. Wenn sich Tiefpass und Hochpass bei Filtern 1.Ordnung wieder zu einem greraden Gesamtfrequenzgang addieren, schneiden sich beide Frequenzgänge bei -3dB. Die Phasenverschiebung zwischen TP und HP beträgt dann über den gesamten Frequenzbereich 90 Grad, daraus resultiert die Neigung der Abstrahlachse.

 

Filter 2.Ordnung drehen die Phase über den gesamten Frequenzbereich um 180 Grad. Bei 90 Grad ist die Resonanzfrequenz des Filters. Die Güte gibt den Betrag bei der Resonanzfrequenz an. Z.B. kritische Dämpfung Q=0.5 (=-6dB), Butterworth Q=0.71 (=-3dB). Ein im Betrag steilerer Filter (ob durch höhere Güte oder durch höhere Filterordnung) hat auch einen steilerer Phasenverlauf und damit ein schlechteres Impulsverhalten.

 

Soweit zu Theorie. In der Praxis hilft nur ausprobieren, besonders bei Passivweichen.

 

 

[Ernesto 0]

Genauso ist es!

Probieren geht über Studieren.

 

Ernesto

 

[Mwf 0]

Hallo Bernhard,

 

die üblichen Lehrbuch-Angaben zum Impulsverhalten gelten nur für Einzelfilter :-(.

 

-- deine Quelle schmeißt da einiges durcheinander...

 

Eine Übertragung auf LS-Crossover ist Quatsch, da hier natürlicherweise nur das Zusammenspiel von Hoch- und Tiefpass interessiert.

 

Und da gibt es dann bei Analog-Filtern keinen Freiheitsgrad mehr für das Impulsverhalten, wenn man sich erstmal auf eine Filterordnung (Steilheit) festgelegt hat.

 

Z.B. mit Bessel- Hoch- plus Tief-Pass ergibt sich

a) kein linearer Summenfrequenzgang

kein besseres Impulsverhalten als z.B. Linkwitz-Riley gleicher Ordnung

 

 

Gruß,

Michael

 

P.S.:

Linkwitz-Riley Filter gibt es auch als 12dB/O., d.h. 2 x 6dB Butterworth hintereinander = -6 dB bei Fx,

d.h. Q = 0.5 = kritische/aperiodische Dämpfung !

-- trotzdem kein schwing-freies Impulsverhalten in der Summe (= Allpass 1.Ordnung mit langsamer Drehung von 0 auf 180°; Hochtöner hierbei zwangsweise umgepolt, da Phasendifferenz zwischen HP und TP 180°).

 

 

 

[BK 0]

Hallo Michael,

 

>>> kein besseres Impulsverhalten als z.B. Linkwitz-Riley gleicher Ordnung

 

Das ist ja eine gute Nachricht, habe ich auch schonmal irgendwo gelesen, war mir dann aber nicht sicher, weil überall steht was anderes...

 

>>> a) kein linearer Summenfrequenzgang

 

Gibt es kein Besssel mit -6dB bei der Trennfrequenz ?

 

>>> Linkwitz-Riley Filter gibt es auch als 12dB/O., d.h. 2 x 6dB Butterworth hintereinander = -6 dB bei Fx,

d.h. Q = 0.5 = kritische/aperiodische Dämpfung !

 

Ist denn dann Linkwitz-Riley 12dB oder 24dB besser ?

Ich habe jetzt 24dB.

 

 

Grüsse, Bernhard

 

[andreasw 1]

Hallo

 

"Nur checke ich es nicht so ganz..."

 

Diese art der Filterung ist erklärt unter www.linkwitzlab.com.

Nennt sich "poleshift", ist aber letztlich ein F-Gangkorrektur.

 

Gruß

Andi

 

 

 

[Mwf 0]

Hi Bernhard,

 

>>>Gibt es kein Besssel mit -6dB bei der Trennfrequenz ?<<<

 

Bessel-Filter 2.Ord. haben ein Q = 0.58 und folglich ca. -4.7 dB bei der Kenn-(Resonanz)-Frequenz, dabei 90° Phasendrehung.

Das kann man noch etwas tunen (Frequenzen auseinanderziehen), sodaß Crossover bei ca. -5.5 dB/ca. +/-100°.

 

Weiteres Tuning lässt einen dann aber schnell beim Linkwitz-Riley (Butterworth-Quadrat) mit Q = 0.50 landen, das quasi "natürliche" Ergebnis für in-Phase Crossover :-).

-- der Bessel-Optimierung fehlt die Symmetrie um den Crossoverpunkt, eine wichtige Voraussetzung für einfache Analog-Crossover --

 

Die Laufzeitoptimierung nützt dem Besselfilter nichts, sie gilt ja nur für den einzelnen Tief- bzw. Hochpass.

 

 

>>>Ist denn dann Linkwitz-Riley 12dB oder 24dB besser ?<<<

 

Unter dem Gesichtspunkt der Gruppenlaufzeit ist natürlich die niedrigere Filterordnung (12dB/O., = Allpass 1. Ordnung) besser (trotz umgepoltem HT).

 

Ansonsten ist L/R 4th (=Allpass 2nd) das Crossover der Wahl:

* schmalerer Übergangsbereich (mit unvermeidlich eingeengter Abstrahlung)

* Chassis müssen nicht so breitbandig arbeiten (Betriebsicherheit, Kosten)

* HT nicht umgepolt (psychologisch wichtig) ;-)

* Gruppenlaufzeit im Mittelhochtonbereich noch sicher unter der Hörbarkeitsgrenze

(typ. ~0.2 ms kontra mind. 1-2 ms, je nach Testbedingungen)

 

 

Gruß,

Michael

 

P.S.:

Nicht vergessen, dass sind alles Ideale, die in der SUMME aus elektrischem Filter, mech.-akust. Filter (Chassis) und ggfs. geringem Offset anzustreben sind.

Die elektrischen Filter allein müssen in der Regel deutlich von der Theorie abweichen; quasi "noch Platz" für Chassiseigenschaften und ggfs. Offset lassen...

 

 

 

[Rockris 0]

...in das Buch 'Lautsprecherbau' von Vance Dickason.

 

http://www.salacious.de/Smiliez/Hupfen/huepfenicon111.gif[/img]

 

[BK 0]

Hallo Michael,

 

>>>Nicht vergessen, dass sind alles Ideale, die in der SUMME aus elektrischem Filter, mech.-akust. Filter (Chassis) und ggfs. geringem Offset anzustreben sind.

Die elektrischen Filter allein müssen in der Regel deutlich von der Theorie abweichen; quasi "noch Platz" für Chassiseigenschaften und ggfs. Offset lassen...

 

 

Könnte man denn, falls z.B ein HT schon von sich aus unter der Trennfrequenz mit 6dB / Oktave abfällt, dies mit in die Weiche einbeziehen ?

 

Somit nur noch 18dB Hochpass + 6 dB HT-Frequenzgang = 24dB Hochpass ?

 

Oder wird dann die Phase krumm ?

 

 

 

Grüsse, Bernhard

 

[BK 0]

Hallo,

 

Es gab mal vor langer Zeit in ELEKTOR eine Additiv-Sobtraktiv-Aktivweiche, leider habe ich mir damals das Heft nicht gekauft, da ich gerade meine Standard 24dB L-R Weiche fertig hatte und nicht gleich was neues machen wollte ohne das alte überhaupt genutzt zu haben...

 

Hat jemand diese Weiche ausprobiert ?

 

Taugt das was ?

 

Wo könnte ich noch den Schaltplan herkriegen ?

 

Vorteil soll gewesen sein:

 

Das Signal läuft nur durch ein oder zwei OP, keine Cs im Signalweg ...

 

 

Grüsse, Bernhard

 

 

 

[Der Axel 0]

LETZTE BEARBEITUNG AM 22-Jan-2002 UM 15:39 (GMT)[p]Hallo Alle,

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Ich habe vor vielen Jahren das Subtraktiv- Filter

gebaut. Das Layout mit einigen Feinheiten hab ich damals für ein

2Wege-Konzept neu gemacht. Funktioniert gut.

 

War in ner alten Elektor Heft9/87. Allerdings nicht ein oder

zwei sondern 13 OP-Stufen für 3Wege/24dB-LR !!

Diese Shaltung ist später auch in dem Buch Audio-

Schaltungen veröffentlicht worden. Beides, Heft und Buch sollten

in einer halbwegs guten Bibliothek vorhanden sein.

 

Eine etwas verunglückte Version dieses Filters gab es schon 1985.

 

 

Gruß,

Axel

 

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Music is Art -- Audio is Engineering

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[andreasw 1]

Hallo

 

Hab mal vor einiger Zeit Subtraktivweichen simuliert, und hab dabei gemerkt, daß mir die Phasendrehung einen Strich durch die Rechnung macht.

Bis 2.Ordnung gehts, darüber nicht mehr, dh der resultierende Zweig (Input minus Filterzweig) macht eine Überhöhung. Resultierend aus der Phasendrehung des gefilterten Signals.

 

Hab ich was falsch gemacht, oder hat das Simuprogramm falsch simuliert?? (schon lange gelöschte Demoversion....Name?? :-()

 

Vielleicht hab ich bloß die Schaltung verkehrt gemacht. Wie sieht sowas normalerweise aus?

 

Gruß

Andi

 

[Pete 0]

Hallo!

 

>Linkwitz-Riley Filter gibt es auch als 12dB/O., d.h. 2 x 6dB >Butterworth hintereinander = -6 dB bei Fx,

 

Heisst das (der Theorie nach) ich berechne erst ein Butterworth-Filter 1. Ordnung, nehme den Wert für L mal 2, den für C geteilt durch 2, und ich hätte die Rolloffs soweit auseinandergezogen, dass sie sich bei jeweils -6dB schneiden?

 

Durch das verbesserte Phasenverhalten - bei verpoltem HT - hätte das doch Vorteile gegenüber der Butterworth-Abstimmung?!? Oder bekomme ich dann einen leichten Frequenzgangeinbruch um ft? - wäre wahrscheinlich zugunsten der besseren Phasen- und Abstrahlverhalten weniger tragisch?!?

 

Warum verpolt man eigentlich in diesem Fall den HT und nicht den TMT?

 

Irgendwie wird das Thema Frequenzweiche immer spannender und durchsichtiger...

 

MfG

 

Pete

 

[Der Axel 0]

Hallo Alle,

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Das Subtraktiv-Filter funktioniert indem z.B.

aus dem Gesamtsignal ein Tiefpass das Bassignal

filtert.

Theorie: Subtrahiert man nun vom Gesamtsignal

den Basspegel, so bleibt der M-HT- Pegel übrig.

 

Dafür muß aber das Gesamtsignal über einen Allpass

gleicher Ordnung wie das tiefpassgefilterte Signal

phasenverschoben werden, sonst funktioniert die

subtraktion nicht - ganz einfach.

Großer Vorteil: Ein solches Filter hat im Über-

gangsbereich der Trennfrequenz ein perfektes Phasen-

verhalten.

 

Theorie, Simulation (PSpice) und Praxis stimmten

bei mir perfekt überein.

 

Gruß,

Axel

 

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Music is Art -- Audio is Engineering

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[andreasw 1]

Hallöchen

 

Danke! Das ist es!

Ich hab die Allpassfunktion vergessen!!!!

Kloa, man muß die Phase angleichen, sonst macht die Subtraktion genau den Mist, wie bei mir in der Simu....

 

Danke nochmal!

Andi

 

[BK 0]

Hallo Axel,

 

danke für die Tips...

 

mit ein oder zwei OPs meinte ich natürlich "im direkten Signalweg", also das das Audiosignal nur den Subtrahierer passieren muss.

 

Gretchenfrage:

 

Klingt es denn besser als ein normales Linkwitz 24dB ? ? ?

 

 

Grüsse, Bernhard

 

[Mwf 0]

Hallo Axel, Bernhard, Andi...

 

Die Vorteile des "Delay derived Crossover" (Lipshitz)

-- 100%ige Summenbildung

-- evtl. weniger OPs

 

verkehren sich ins genaue Gegenteil, wenn es um das Crossover von typischen LS-Chassis geht :-(.

 

Es fehlt völlig der Bezug auf die mechanisch/akustischen Eigenschaften der Chassis, v.a. des Phasengangs !!

Daher eher schlechtere Summenbildung.

 

Das lässt sich verbessern, indem angenäherte Nachbildungen der Chassis Ü-funktion (Bandpass) in das Subtraktionsfilter eingebaut werden.

Spätestens dann ist aber auch Vorteil Nr. 2 dahin.

 

 

Subtraktionsfilter (aktiv) waren in der Vor-Digitalzeit die Lösung, um perfekte Bereichstrennungen in rein elektronischen Schaltungen zu realisieren (Multiband-Kompander, De-Esser, Exciter etc.).

 

Als LS-Aktivfilter haben sie sich nicht bewährt.

 

 

Gruß,

Michael

 

 

P.S.

Die Thematik ist verwandt mit dem hier ebenfalls diskutierten Serienfilter, da dieses quasi die passive Variante des Subtraktionsfilters darstellt.

 

[BK 0]

Hallo Michael,

 

das ist aber äusserst schade :-( :-( :-(

 

Grüsse, Bernhard