Nubert Lautsprecher, HiFi- und Surround-Elektronik

Hallo

Kennt jemand von Euch ein Programm, mit dem man die Gruppenlaufzeiten bei Verschiedenen Subwoofer-Trennfrequenzen (z.B. 80Hz, 100Hz oder 120Hz) und Filterstärke (z.B. Linkwitz-Riley-Filter 2.Ordung oder 4.Ordnung) ausrechnen kann?

Schön wär, wenn man das Ergebnis der Gruppenlaufzeit dann mit diesem Programm auch graphisch darstellen könnte, wie z.B. in diesem Dokument von Herrn Nubert :

Delay eines Linkwitz-Riley-Filter 80Hz, 4. Ordnung (unteres Diagramm):

http://content.nubert.de/gnubert/Woofer_frq_u_delay.doc

Ph0b0ss hat geschrieben:Kennt jemand von Euch ein Programm, mit dem man die Gruppenlaufzeiten bei Verschiedenen Subwoofer-Trennfrequenzen (z.B. 80Hz, 100Hz oder 120Hz) und Filterstärke (z.B. Linkwitz-Riley-Filter 2.Ordung oder 4.Ordnung) ausrechnen kann?

Schön wär, wenn man das Ergebnis der Gruppenlaufzeit dann mit diesem Programm auch graphisch darstellen könnte, wie z.B. in diesem Dokument von Herrn Nubert :D:

Delay eines Linkwitz-Riley-Filter 80Hz, 4. Ordnung (unteres Diagramm):

Wer einen C-Compiler bedienen kann, kann sich so was leicht zusammenzimmern.
Alternativ Matlab. Mit Excel machen komplexe Zahlen keinen Spaß.

Wenn ich lange Weile hätte ...

Hallo "Ph0b0ss",

es gibt "massenhaft" Programme, mit denen man alle möglichen Konfigurationen unterschiedlichster Filter ausrechnen kann.

Aber eigentlich nützen sie nicht so viel, wenn man nicht ständig damit zu tun hat....

Ich halte es für viel wichtiger, die grundsätzlichen "Eckdaten" im Auge zu behalten:

• * Üblicherweise haben Filter um so höhere Gruppenlaufzeiten, je steiler sie sind und je tiefer die Übergangsfrequenzen liegen.
  
  * Filter mit "einem sanften Übergang" zwischen dem "linearen Bereich" und der "vollen Steilheit" haben entweder keinen oder nur einen kleinen Anstieg der Gruppenlaufzeit in der Nähe der Eckfrequenz (zum Beispiel "Bessel"-Tiefpass-Filter).
  
  * Je schärfer ausgeprägt der "Knick" im Frequenzgang ist, desto größer wird der Anstieg der Gruppenlaufzeit im Bereich der Eckfrequenz.

Ein Tschebyscheff-Tiefpassfilter 8. Ordnung (also 48 dB/oct), bei dem 0.1 dB "Frequenzgang-Welligkeit" im Durchlass-Bereich erlaubt ist, hat theoretisch knapp 41 ms delay bei knapp 83 Hz. Wenn 1 dB Welligkeit erlaubt ist, hat der Frequenzgang einen noch schärferen Knick zwischen dem Durchlass- und Sperrbereich - dafür steigt aber die Gruppenlaufzeit aber schon auf über 60 ms bei 80 Hz.
In der Praxis können die theoretischen Werte bei Tschebyscheff-Filtern (in der Serie) kaum exakt erreicht werden, weil man dazu extrem enge Bauteile-Toleranzen benötigen würde.

Hier Messdiagramme mit Frequenzgang und delay unterschiedlicher Tiefpass-Filtertypen:
(Wenn die Darstellung zu klein erscheinen sollte, mit der Maus in's Bild gehen und den Button "auf reguläre Größe erweitern" anklicken.)

http://www.nubert.net/g-nubert/Frq_80Hz ... scheby.png

http://www.nubert.net/g-nubert/delay_80 ... scheby.png

Pro Filter-Ordnung dreht sowohl ein Hochpass als auch ein Tiefpass (an der Eckfrequenz) die Phase um je 45°.
Bei einem Filter 4. Ordnung dreht also der Tiefton-Kanal die Phase um 4x45=180°. Das gleiche macht der Hochton-Kanal.
180+180° ergeben dann also (zumindest im "eingeschwungenen Zustand") mit 360° wieder Gleichphasigkeit.

(Mit DSP-FIR-Filtern kann man die Gruppenlaufzeiten und Phasenlage unabhängig von Frequenz und Steilheit einstellen. - Dabei handelt man sich allerdings eine (lineare) "Grundverzögerung" ein, die etwas über dem delay analoger Filter liegt.)

Ohne ein tieferes Verständnis der Filtertheorie sind die hochkomplexen Rechenprogramme nicht sehr geeignet, um damit "Alltagsprobleme" zu lösen - und sie sind schon gar nicht anwendungsfreundlich. (Für Matlab braucht man m.E. enorme Einarbeitungszeiten...)

Recht leicht zu handhaben ist ohnehin fast nur die "-6 dB-Sonderversion" des Butterworth-Filters, die man als "Linkwitz-Riley-Filter" bezeichnet. Sie hat im Tiefton- Hochton- und Summensignal die selbe Phasenlage und das Summensignal hat einen perfekt linearen Frequenzgang. Die Tiefpass- und Hochpass-Frequenzgänge "überkreuzen" sich dabei im "-6 dB-Punkt". (Bei den "normalen" Butterworth-Filtern überkreuzen sie sich im -3 dB-Punkt.)

Bei Filtern 2. Ordnung (also 12 dB / Oktave) muss man (von der Theorie her) Hoch- oder Tiefton-Kanal invertieren, um einen Frequenzgang ohne "Phasen-Auslöschungen" zu erzielen. Bei Filtern 4. Ordnung (oder einem Vielfachen davon) erfolgt die Summierung ohne Verpolung.

Die Grundlagen zur Filter-Theorie sind z. B. auch sehr schön in meinem Lieblingsbuch "Tietze Schenk - Halbleiter-Schaltungstechnik" erklärt, das wohl in jeder besseren Stadtbibliothek vorhanden ist.

Zum Schluss noch zwei MLSSA-Messungen mit den group delay-Unterschieden zwischen Linkwitz-Filtern und Bessel-Tiefpass-Filtern unterschiedlicher Steilheit.

Die Gruppenlaufzeiten von Bessel-Tiefpass-Filtern sind "schön linear". Allerdings unterscheiden sie sich von den Werten der Hochpass-Filter und des Summensignals. Außerdem bringen Bessel-Filter (in der Grundform) oberhalb etwa 4. Ordnung keine ordentliche "Frequenzgang-lineare Summierung" des Hoch- und Tiefton-Kanals.

Die Dimensionierung eines Hochpass-Filters, das so mit einem Bessel-Tiefpass höherer Ordnung "harmoniert", dass sich ein guter Summen-Frequenzgang ergibt, ist allerdings tatsächlich eine Aufgabe für ein leistungsfähiges Computerprogramm!

Gruß, G. Nubert

Hallo Herr Nubert,

vielen Dank für Ihre ausführlichen Infos zu den Filtern !

Meine Idee war, eventuell ohne die noch soo teuren FIR-Filter, ein DBA aufzubauen, welches möglichst geringe Gruppenlaufzeiten hat. So dass es nicht nur für Heimkino, sondern auch für normales Stereo noch recht gut geeignet ist!

Aber so wie auf Ihren Diagrammen zu sehen ist, kann man wohl leider nur mit Filtern 2. Ordnung noch akzeptable Gruppenlaufzeiten erreichen. Die Filter 2. Ordnung dämpfen mit ihren 12dB/oct aber wahrscheinlich die Hautlautsprecher dann zu wenig. Diese spielen dann, so denke ich, einfach zu weit in den Bereich des DBA's hinein und zerstören so teilweise dessen Wirkung.

Die Frage wär jetzt, was momentan ohne FIR-Filter von folgenden 2 Möglichkeiten für reines Stereo die bessere wäre:

2 Nuwave 125 + ATM

oder

2 Nuwave 125 als Satelliten, möglichst hoch abgetrennt (z.B. 100Hz) mit 24dB/oct (wie z.B. bei fast jedem heutigen AV-Receiver)
+
4 AW-1000 als DBA (jeweils 2 vorne und 2 hinten auf halber Raumhöhe und jeweils 1/4 und 3/4 Raumbreite)


Bei der ersten Möglichkeit kommen die Bässe schneller oder richtiger. Bei der zweiten etwas zu spät, aber dafür sauberer/ trockener und ganz ohne Dröhnen mit einem sehr linearen Bassfrequenzgang.

Bei der 2. Möglichkeit hätte man auch immer noch die Möglichkeit, das FIR-System nachzurüsten, wenn es bezahlbar geworden ist.

Hallo,

Ich habe in diesem Zusammenhang zwei Fragen an Herrn Nubert.

Ich besitze eine AW-1000. Mir ist Folgendes aufgefallen:
Selbst wenn man den Subwoofer alleine betreibt (also ohne Satelliten), gibt es einen Klangunterschied zwischen der Stellung 0° und 180°. Ich hatte das Gefühl, dass der Bass in der Stellung 180° straffer und trockener klingt.

Ist es möglich, dass das Einschwingverhalten des Phasenschiebers bereits zu hören ist?

Bei den zahlreichen kursierenden Anleitungen zur Einstellung der Phasenlage vermisse ich die Berücksichtigung des Impulsverhaltens. Die Gleichsetzung von 360° = 0° ist doch nur für periodische Signale zulässig.
Ein Allpass kann die Phase nur in positiver Richtung weiter verschieben.

Haben Sie Erfahrungen, ob ein Zeitversatz von einer Periode bei Bassimpulsen bereits hörbar ist?
Für eine Frequenz von 40 Hz entspräche ein Phasenversatz von 360° ja bereits einem Nachhinken des Subwoofers von ca. 4 ms.

Herzlichen Dank!

oposd hat geschrieben:Ich besitze eine AW-1000. Mir ist folgendes aufgefallen:
Selbst wenn man den Subwoofer alleine betreibt (also ohne Satelliten), gibt es einen Klangunterschied zwischen der Stellung 0° und 180°. Ich hatte das Gefühl, dass der Bass in der Stellung 180° straffer und trockener klingt.

Ist es möglich, dass das Einschwingverhalten des Phasenschiebers bereits zu hören ist?

Bei alleinigem Betrieb des Subs sollten 0° und 180° identisch klingen.
Der größte Klangunterschied sollte bei Phasen dazwischen auftreten (60°...120°),
wenn er hörbar sein sollte.

Bei den zahlreichen kursierenden Anleitungen zur Einstellung der Phasenlage vermisse ich die Berücksichtigung des Impulsverhaltens. Die Gleichsetzung von 360° = 0° ist doch nur für periodische Signale zulässig.

0° = 360°.
Die Gleichsetzung von Phase (° oder Radian) und Laufzeit (ms oder s) ist
aber nicht zulässig.

http://www.personal.uni-jena.de/~pfk/MP ... ruppe2.png

Obere Hälfte:
Form von gefilterten Gauss-Impulsen
- vertikal ist die Phase gedreht (0°, 45°, ..., 315°)
- vertikal ist die Laufzeit verschoben
Untere Hälfte:
Summe mit dem Signal des Hauptlautsprechers.

Ein Allpass kann die Phase nur in positiver Richtung weiter verschieben.

Die Phase ist eine periodische Funktion. Ein Hochpaß z.B. schiebt die Phase
in negative Richtungen. Aufpassen wieder: Phase != Laufzeit