Autor: Heißmann-Acoustics

Es sollen in diesem Artikel die Arbeitsweise, die weitreichenden Möglichkeiten und letztendlich  auch die Verlässlichkeit einer Software gestützten Frequenzweichenentwicklung betrachtet werden. Es wird ausschließlich die Nutzung des Rechners als virtuelle Frequenzweiche betrachtet. Keine Gehäusesimulation, keine Frequenzweichensimulation nach Datenblättern , TSP oder irgendwelchen anderen Parametern die nicht auf realen Messungen am Objekt beruhen ⇒ Alle relevanten Daten werden aus realen Messungen gewonnen!

Die konkrete Herangehensweise bei einer Software gestützten Frequenzweichenentwicklung ist in aller Regel folgende

• Konzepterstellung (Treiber/Gehäuse/Schallwandgeometrie) unter Berücksichtigung aller möglichen Faktoren, auf die hier nicht näher eingegangen wird
• Aufbau des Lautsprechers: Gehäusebau, Absorption/Dämmung, Verkabelung, Bassabstimmung (BR/CB etc.) ⇒ Ohne Frequenzweiche
• Einmessung der einzelnen, ungefilterten Treiber: Amplitudenfrequenzgang inklusive relativer akustischer Phase unter allen gewünschten Winkeln und Impedanzgang
• Import der Messdaten in die Software, in diesem Fall Xover 2.04A

An dieser Stelle eine Anmerkung: Die Einmessung eines 2-Wege Lautsprechers unter zB. 22 Winkeln (+-90° horizontal in 15° Schritten und +-20° vertikal in 5° Schritten) inklusive Impedanzmessungen dauert ~15 Minuten

Stellen wir uns folgenden Messaufbau vor

• Eine Kaskade aus „n“ identischen Messmikrofonen in horizontaler und vertikaler Ebene um den Lautsprecher, die sich gegenseitig nicht beeinflussen
• Eine Messvorrichtung zum erfassen der Impedanzgänge der Einzeltreiber und des ganzen Lautsprechers gleichzeitig, ohne dabei Einfluss auf die Ergebnisse zu nehmen
• Hardware, die sämtliche Messergebnisse in Echtzeit verarbeiten und ausgeben kann
• Software, die sämtliche Messergebnisse in Echtzeit verarbeiten und ausgeben kann
• Alle benötigten Bauteile ohne Abweichung vom Sollwert … Bzw. Bauteile, die per Regler auf einen beliebigen Wert einstellbar sind
• Einen schalltransparenten Helfer, der auf Anweisung Bauteile wechselt/einstellt 😉

Alles nicht wirklich machbar, soll aber verbildlichen was möglich ist wenn wir alle Daten nacheinander sammeln und dann die Software damit arbeiten lassen.

Hier nun exemplarisch der Ablauf einer Frequenzweichenentwicklung mit Xover 2.04a

Das Programm steht auf den Seiten der Interessengemeinschaft DIY Hifi (IGDH e.V) als Download zur Verfügung.

Links oben: 0-90° Horizontal, Summe/Zweige und Phase
Rechts oben: 0° und +-15° vertikal, Summe/Zweige und Phase
Mitte unten: Impedazgänge Zweige und Gesamt
Unten rechts: Spannungsfrequenzgang

Quizfrage: Was ist da los bei 1kHz? Nutze gerne die Kommentarfunktion :)

Wir haben ein virtuelles Frequenzweichenbrett auf dem Bildschirm, und sehen die Auswirkungen einer jeden Bauteileänderung auf die Amplitudenfrequenzgänge (Horizontal und vertikal), Phase, Impedanzgang & Spannungsfrequenzgang in Echtzeit. Wir können gleichzeitig Dinge betrachten die sich der Zu-Fuß-Entwickler, wenn überhaupt, nur nacheinander ansehen kann.

„Zu Fuß“ gibt es idR. ein Mikrofon, eine Impedanzmessstrippe und ein Bauteil das gewechselt wird. Dann kann man sich einen Zweig oder den Summen,- oder den Impedanzfrequenzgang ansehen. Alles unter einem Winkel. Die Auswirkungen einer Bauteileänderung kann grundsätzlich nur unter einem Aspekt betrachtet werden. Die Auswirkungen auf andere Aspekte müssen „erahnt“ werden…

Wenn Ich die Flankensteilheit des Hochtöners zugunsten einer besseren Phasenlage verändere, wie wirkt sich das auf das Abstrahlverhalten horizontal und,- oder vertikal aus?

Natürlich können auch so sehr gute Lautsprecher entstehen. Direct-HA ist der letzte Lautsprecher den ich so entwickelt habe … Die Ergebnisse sind sehr gut, aber es hat Stunden gebraucht für Dinge die jetzt in Minuten bzw. Sekunden gehen. Inzwischen erachte ich es als sehr fragwürdig ob das letzte Quäntchen an Detail bei einer Zu-Fuß-Entwicklung wirklich erreicht werden kann.

Stellt sich noch die Frage nach der Genauigkeit…

Um es nicht ganz unprovokativ vorwegzunehmen: Die virtuelle,- ist genauer als die reale Entwicklungsweiche 😉 …

Wir haben echte Messwerte der Treiber (Amplitudenfrequenzgang inkl. rel. Phase und Impedanzgang) und stecken Diese in einen (virtuellen) Wechselstromkreis mit frequenzabhängigen (L/C) und frequenzunabhängigen (R) Impedanzen. Die Wirkweise von Kondensatoren, Spulen und Widerständen ist formelmäßig erfassbar. Es gibt keine relevanten Unbekannten.

Im Unterschied zur „echten“ Entwicklungsweiche gibt es praktisch keine Fehlerquellen. Die Bauteile haben keinerlei Abweichungen, es gibt keine erhöhten Übergangswiderstände, keine Verkabelungsfehler, keine Bauteilverwechslungen, keine kalten Lötstellen.

So die Realität am Ende abweicht, gibt es eigentlich nur wenige Möglichkeiten:

• Messbedingungen haben sich geändert (Messaufbau, Temperatur,  …)
• Bauteile weichen vom Sollwert ab
• Fehler im Aufbau (Frequenzweiche, Verkabelung, fehlerhafte Bauteile …)

Wenn wir unseren Einmessungen trauen, können wir bei Differenzen zwischen Realität und Simulation, den Fehler am realen Objekt suchen. Oft kann auch hierbei die Simulation helfen. Wir führen dort gezielt solange Änderungen durch bis die Ergebnisse dem Fehler entsprechen. So habe ich nicht selten herausgefunden welches Bauteil vom Normwert abweicht, wo ein Übergangswiderstand zu groß ist, oder an welcher Stelle zwei Bauteile verwechselt wurden. Veröffentlicht wird nicht bevor Simulation und finale Messungen des Lautsprechers praktisch übereinstimmen. Die virtuelle Frequenzweiche als zuverlässiges Fehlerdiagnosetool!

Hier noch ein Beispiel der Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung am fertigen Lautsprecher:

Im Wechseln Simulation und finalen Messungen eines Lautsprechers unter horizontalen Winkeln von 0-90° in 15° Schritten

Es kann praktisch von Deckungsgleichheit unter allen Winkeln gesprochen werden. Die minimalen Abweichungen beruhen auf leichten Abweichungen im finalen Messaufbau und ggf. Toleranzen bei den Bauteilen.

Die Vorteile einer Software gestützten Frequenzweichenentwicklung noch einmal zusammengefasst

• Zeit
• Material: Kein Schrank mit Bauteilen von Nöten.
• Effizientere Frequenzweichen: Sowohl „Zu Fuß“ als auch in der Simulation läuft eine „Filterfindung“ z.B. so ab: Man beginnt mit einem, sagen wir Hochpass 2. Ordnung und einem Spannungsteiler. Dann stört noch eine Überhöhung, die dann mit einem Sperr,- oder Saugkreis glattgebügelt wird. So nun alles gut aussieht ist man „Zu Fuß“ fertig. In der Simulation kann man jetzt versuchen eine Filterfunktion zu finden, die mit weniger und/oder günstigeren Bauteilen ein identisches Ergebnis liefert … funktioniert häufig!
• Die Simulation als Fehlerdiagnosetool. Wenn Simulation und finale Messungen übereinstimmen kann mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit von einem fehlerfreien Aufbau ausgegangen werden. Sehr gut in Sachen „Nachbausicherheit“
• Steile Lernkurve in Sachen Filterdesign, durchaus auch bei erfahrenen Entwicklern …
• Variabilität: Es können Variationen eines Lautsprechers auch im Nachhinein erstellt werden, weil ein vollständiges  und verifiziertes Simulationsmodel existiert.
• „Trial & Error Weiche“ bis es passt => vorab definierte akustische Filterflanken
• Die Kaskade aus „n“ identischen Messmikrofonen ⇒ Ein äußerst praxisnaher Weg hin zum „controlled Directivity“ Lautsprecher

Zum Abschluss:

Die Kunst einen guten Lautsprecher zu entwickeln sollte nicht primär im Frequenzweichendesign, sondern vielmehr in der Findung eines, für den vorgesehenen Arbeitsbereich stimmigen Gesamtkonzepts liegen. Sehr gute Treiber finden und einen sinnvollen Arbeitsbereich definieren. Ein gutes Gehäusedesign (Innen und Außen) und die so oft außer acht gelassene Schallwandgeometrie. Wie die Treiber letztendlich gefiltert werden wollen ist, in meinem Empfinden, durch das Gesamtkonzept weitestgehend vorgegeben. Theoretisch könnten wir die Frequenzweichenentwicklung auch vollkommen dem Rechner überlassen … Ein guter Weichenoptimierer, gefüttert mit 360° Messungen horizontal, vertikal und diagonal, dem wir Vorgaben machen bzgl. Energieverhalten des Lautsprechers und Einsatzbereich der Treiber, wird bessere/effektivere Weichen finden als wir das vermögen. Ausgenommen davon ist natürlich „der erste Wurf des erfahrenen Entwicklers“ 😉

Es soll untersucht werden wie sich die Gestaltung der Schallwand und die Anordnung der Treiber auf Selbiger, auf die Wiedergabequalität von Lautsprechern auswirken. Insbesondere wird das Augenmerk auf das Richtverhalten, sprich die Abstrahlung unter Winkeln, des Hochtöners gelegt. Neben dem Frequenzgang auf Achse (0°), hat ein ausgewogenes und gleichmäßiges Richtverhalten einen erheblichen, und in des Autors Empfinden bisweilen (zu) wenig beachteten, Einfluss auf die Wiedergabequalität, auch und insbesondere in Sachen räumlicher Darstellung des Klanggeschehens, von Lautsprechern.

Unausgewogenheiten zwischen Achs,- und Winkelfrequenzgängen resultieren sehr häufig aus einer ungeeigneten Schallwandgestaltung und Einbausituation der Treiber. Der Hochtöner „sieht“ im vorgesehenen Arbeitsbereich die Gehäusekanten, dort entstehen Sekundärschallquellen.

Wer Wert darauf legt das ein Lautsprecher nicht nur gut klingt, sondern auch eine möglichst gute Bühne aufbaut, sollte neben dem Lesen eindrücklicher Klangbeschreibungen, auch einen geschulten Blick auf die Schallwand des Lautsprechers werfen. Diesen Blick zu schulen ist das Anliegen dieses Artikels …

Im Folgenden wird das Richtverhalten von 25mm Hochtönern in unterschiedlichsten Einbausituationen untersucht. Der Einfluss von Tiefmitteltönern ist zumeist weniger problematisch und soll an dieser Stelle nicht näher betrachtet werden.

Die ersten vier Beispiele beruhen auf (zuverlässigen) Simulationen, unter der Annahme eines auf Achse linearisierten und bei 2kHz getrennten Hochtöners. Die Simulationen und Messungen zeigen die Winkel 0,30 & 60° horizontal.

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Zunächst, Zwei Einbausituationen ohne, bzw. mit nur minimalem  Gehäuseeinfluss:

Die unendliche Schallwand

Gleichmäßiges, tadelloses Richtverhalten, ab der durch die Memranfläche des Hochtöners vorgegebenen Frequenz. Keinerlei Kantendiffraktion und/oder Sekundärschallquellen.

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Hochtöner mit sehr kleiner Frontplatte, ohne Schallwand

Die „Gehäusekanten“, in diesem Fall die Kanten des Hochtöners selbst, sind so nahe, daß die zugehörige Frequenz  in einem Bereich liegt, in dem der Hochtöner bereits nicht mehr als Halbraumstrahler arbeitet. So „sieht“ Er Diese praktisch nicht. Das System kann als System ohne Schallwand betrachtet werden.

Gleichmäßiges, tadelloses Richtverhalten ohne Probleme durch Kantendiffraktion.

Die nicht vorhandene Schallwand verstetigt desweiteren das Richtverhalten zum Tiefmitteltöner hin, auch unterhalb der durch die Memranfläche des Hochtöners vorgegebenen Frequenz.  Ideale Voraussetzungen für eine bruchlose Anbindung an das Richtverhalten des Tiefmitteltöners.

Dieses Konzept findet Anwendung im Bauvorschlag Center-HQ.

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„Worst Case“ Szenario

… in des Autors Sichtweise

Schallwand rechteckig, schmal, Hochtöner mittig, keine Schallführung, keine Fasen

Der Hochtöner „sieht“ im vorgesehenen Arbeitsbereich die Gehäusekanten. => Kantendiffraktion. Es entsteht ein Einbruch auf Achse einhergehend mit einer Überhöhung unter Winkeln. In der Simulation ist der Hochtöner linearisiert, sprich der Einbruch auf Achse wurde kompensiert, was die Überhöhung unter Winkeln entsprehend stärker zu Tage treten lässt. Unabhängig davon wie man den Treiber auf Achse beschaltet, die Diskrepanz zwischen Achs,- und Winkelfrequenzgängen bleibt bestehen.

Folgen:

Tonalität: Unausgewogenheit unter unterschiedlichen Abhörpositionen.

Räumlichkeit: Die Räumlichkeit leidet unter der unausgewogenheit aus Achs,- und Winkelfrequenzgängen

IdR. werden solche Konzepte mit einer Senke auf Achse abgestimmt, die dann unter Winkeln wieder „aufgefüllt“ wird. In Sachen Tonalität kann das sehr gut klingen. In einem für das Ohr empfindlichen Bereich gibt es eine Senke (Ich nenne Diese gerne „Ohrschmeichler“), energetisch fehlt trotzdem Nichts, da Sie unter Winkeln kompensiert wird.

Ein zweiter Ansatz wäre sehr hoch (in diesem Fall >3,5kHz) zu trennen. Allerdings handelt man sich dadurch andere Probleme ein. Der Tiefmitteltöner richtet in diesem Bereich bereits deutlich, und wird dann vom Hochtöner „abgelöst“ der noch als Halbraumstrahler arbeitet => Der Energiefrequenzgang ist unausgewogen. Im Bereich der Trennfrequenz wird zu wenig, darüber zu viel Energie in den Raum abgegeben. Desweiteren wird es in der Vertikalen einhergehend mit einer Erhöhung der Trennfrequenz immer unausgewogener. Der Abstand zwischen den Treibern muss immer in Relation zur Trennfrequenz gesehen werden.

Dieses Konzept findet Anwendung in sehr vielen, vA unter Zeit,- und oder Verkaufsdruck entwickelten Lautsprechern 😉

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… mit 15mm Fasen

Schallwand rechteckig, schmal, Hochtöner mittig, beidseitig 15mm Fasen

Die Fasen schwächen die Störungen ab, trotzdem bleibt das grundsätzliche Problem bestehen. Oben geschriebenes gilt weiterhin.

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Wie nun die Problematik umgehen?

Neben der unendlichen Schallwand, und der „praktisch nicht Vorhandenen“ gibt es weitere, vielversprechende Ansätze Kantendiffraktion zu vermeiden bzw. deutlich zu reduzieren.

Die folgenden Beispiele beruhen sämtlich auf realen Messungen aus von mir veröffentlichten Lautsprechern. Es besteht kein Anspruch auf Vollständigkeit.

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Breite Schallwand mit großzügiger Verrundung an den Seiten

In diesem Fall liegt keine 60° Messung vor, daher werden 0,30 & 45° gezeigt.

Keine Kantendiffraktion im vorgesehenen Arbeitsbereich. Die (verrundeten) Kanten sind weit genug entfernt, so daß Sie nicht „gesehen“ werden. Ausgesprochen gleichmäßiges Richtverhalten.

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag WaveWall-182. Ein weiterer, sehr reizvoller Lautsprecher, der einen ähnlichen Ansatz verfolgt ist zB. der Grimm-LS1.

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Hochtöner außermittig positioniert mit 12mm Fasen seitlich und oben

Geringer Einfluss durch Kantendiffraktion um 2,2kHz, der durch eine geeignete Filterung problemlos vom Tiefmitteltöner kompensiert werden kann. Darüber gleichmäßiges und störungsfreies Rundstrahlverhalten.

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag Samuel-HQ

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Trapezförmige Fasen mit einer Steilheit >=20°, so nahe als möglich an den Hochtöner herangeführt

Leichte Aufweitung um 5kHz, ansonsten keine Probleme durch Kantendiffraktion. Das Bündelungsverhalten wird, dadurch daß der Hochtöner nur sehr wenig Schallwand sieht, zum Richtverhalten des Tiefmitteltöner hin verstetigt, was eine bruchlose Anbindung an Diesen erst ermöglicht.

Die obere Fase ist, je nach Konzept nicht unbedingt von Nöten. Unter Umständen könnte das Ergebnis ohne Diese sogar (noch) besser ausfallen.

Dieses Konzept findet Anwendung u.A in den Bauvorschlägen Samira & Samira-HWG.

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Hochtöner mit Schallführung/Waveguide und maximal schmaler Schallwand

Keinerlei Kantendiffraktion. Äußerst gleichmäßiges Richtverhalten im gesamten Übertragungsbereich. Im Gegensatz zu normalen Kalottenhochtönern auch noch im Supehochton (>10kHz) breite und gleichmäßige Abstrahlung. Bzgl. horizontaler Bündelung eine nahezu perfekte Lösung.

Allerdings ist der Abstand zum Tiefmitteltöner größer als ohne Schallführung, was sich nachteilig auf das vertikale Abstrahlverhalten auswirkt. Umgangen wird diese Problematik durch eine entsprechend tiefere Trennung, die dank der Schalldruck steigernden und somit Treiber entlastenden Wirkung des Waveguides idR. auch realisierbar ist.

Dieses Konzept findet Anwendung in den Bauvorschlägen Cinetor & Cinetor-HWG

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Schallführung (DXT) & trapezförmige Fasen

Es gilt selbiges wie im Beispiel vorher geschrieben, jedoch ohne die Problematik des großen Treiberabstandes. Der hier verwendete Hochtöner ist der Seas-DXT. In der Größe eines „normalen“ Hochtöners (D104mm), mit der Wirkung eines echten Waveguides. Faszinierend!

Die Trapezförmigen Phasen tun Ihr Übriges, insbesondere in Sachen Verstetigung des Bündelungsverhaltens hin zum Tiefmitteltöner. In breiteren Schallwänden gäbe es eine Aufweitung im Übertragungsbereich, idR. um 3kHz die nur durch eine entsprechend hohe Trennfrequenz zu kompensieren wäre.

Das horizontale Richtverhalten kommt dem, vom Autor empfundenen, theoretischen Ideal sehr sehr nahe!

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag DXT-Mon

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Fazit:

Es gibt sehr sinnhafte und einfache Ansätze dem Thema Kantendiffraktion bei Hochtönern beizukommen:

• Man gebe Ihm sehr viel Schallwand: Die Gehäusekanten sind weit genug entfernt, so daß der Hochtöner Sie im vorgesehenen Arbeitsbereich nicht sieht
• Unsymmetrie: Möglichst keine identischen Abstände zwischen Kanten und Hochtöner. Dies lässt sich durch die Position des Treibers (außermittig) und/oder die Gestaltung der Schallwand erzielen. Als Beispiel hierfür sei die Rocket von Hifi-Selbstbau erwähnt.
• …einhergehend mit so wenig als möglich Schallwand => Das Richtverhalten wird zum Tiefmitteltöner hin verstetigt, was die bruchlose Anbindung an den Tiefmitteltöner erheblich erleichtern kann (=> zB. Trapezförmige Fasen).
• Verwendung von Schallführungen (Waveguides, Hörner) die eine deutliche Richtwirkung im, für Kantendiffraktion relevanten Frequenzereich, aufweisen. IdR. ist bei Waveguidelösungen eine maximal schmale Schallwand anzustreben, um dessen Abstrahlung zum Tiefmitteltöner hin zu verstetigen.

… es gibt eigentlich nur einen problematischen Fall

• Eine rechteckige Schallwand, ca. in der Breite des Tiefmitteltöners, mit zentralem Hochtöner und ohne Schallführung…

Nach meiner Erfahrung ist ein gleichmäßiges und weitestgehend bruchloses Bündelungsverhalten eines der wichtigsten, wenn nicht sogar Das wichtigste Qualitätserkmal eines guten Lautsprechers.

Der werte Leser hat mit diesem Artikel (hoffentlich) gelernt Dieses, anhand der Betrachtung eines Lautsprechers, zumindest ansatzweise, beurteilen zu können. Ein wenig Messungen-lesen-Können ist trotzdem durchaus hilfreich…

Abschließend:

Es ist nicht sinnhaft vorhandene Lautsprecher nun mit Fasen, neuen Schallwänden, Schallführungen und/oder Treiberanordnungen zu versehen. Dies bedarf in den allermeisten Fällen einer messtechnischen Überprüfung und einer entsprechenden Anpassung der Frequenzweiche.

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