- Lautsprecherweiche
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Eine Frequenzweiche teilt ein verschiedene Frequenzen enthaltendes elektrisches Signal auf zwei oder mehr Ausgänge auf, an denen jeweils unterschiedliche Teile (Frequenzbänder) des gesamten ursprünglichen Frequenzspektrums austreten.
Passive Frequenzweichen sind immer auch umgekehrt betreibbar, d. h. mit ihnen ist auch die Zusammenführung unterschiedlicher Frequenzen möglich.
Inhaltsverzeichnis
Verwendung von Frequenzweichen
Frequenzweichen werden u. a. verwendet für:
- Aufteilung eines Audiosignales auf unterschiedliche Lautsprecher oder ,in der Studiotechnik, andere nachgeschaltete Baugruppen zur getrennnten Bearbeitung von einzelnen Frequenzbereichen (Multiband-Compressor)
- Zusammenführen oder Aufteilen von Hochfrequenzsignalen
- med. Ultraschalldiagnoseverfahren (Dopplersonographie)
- bildgebende Messverfahren in der Nachrichtentechnik
Auch Netzfilter und Entstördrosseln sind vom Prinzip her Frequenzweichen, sie werden jedoch nicht so bezeichnet.
Passivweiche für eine 3-Wege-Lautsprecherbox, jeder Weg ist auf eigener Platine untergebracht (NuWave 125)Lautsprecher-Frequenzweichen
Funktion
Da es kein Wandlerprinzip gibt, das den kompletten hörbaren Frequenzbereich mit wirklich guter Qualität abstrahlen kann, ist es sinnvoll, die vom Verstärker kommenden Signale in der Lautsprecherbox mittels Kondensatoren und Spulen aufzuteilen. Hier macht man sich zunutze, dass Kondensatoren hohe Frequenzen durchlassen, niedrige jedoch sperren (Hochpass), Spulen hingegen niedrige Frequenzen durchlassen und hohe Frequenzen sperren (Tiefpass). Durch geeignete Dimensionierung und Kombination dieser Bauteile kann bestimmt werden, welche Frequenzen eine Lautsprecherweiche zu welchem Lautsprecher durchlassen soll. Die aufgeteilten Tiefton-, Hochton- und ggf. Mitteltonfrequenzen werden dann an die dafür vorgesehenen Wandlersysteme (Lautsprecher) weitergeleitet.
Frequenzweichen haben zwei wesentliche Funktionen:
- Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege
- ggf. Frequenzganglinearisierung / Pegelanpassung mit zusätzlichen Widerständen
Weiter können noch folgende optionale Funktionen hinzukommen:
- Überlastschutz (aktiv durch Begrenzung (Limiter) oder passiv durch PTCs bzw. Kaltleiter)
- Impedanzlinearisierung
Passivweichen sind meistens die preiswerteste Wahl zur Realisation eines Zwei- oder Mehrwegesystems. Die Möglichkeiten besonders hinsichtlich der Frequenzganglinearisierung sind jedoch beschränkt. Dieses gilt insbesondere für Anhebungen von Amplituden, wie man sie sich z. B. vor allem am unteren Ende des Frequenzganges wünschen würde.
Es sind auch Mischsysteme üblich, in denen die Aufteilung des Eingangssignals auf die einzelnen Wege passiv, die Frequenzganglinearisierung jedoch aktiv durch eine zwischen Vor- und Endverstärker geschaltete Baugruppe geschieht.
Eine Frequenzweiche ist ein sehr individuell an die Lautsprechertypen und die Geometrie der Laustprecherbox angepasstes System, ein Lautsprecher-(Chassis-)Austausch erfordert daher meist eine Neuanpassung der Weiche.
Die Weiche bestimmt sowohl den Direktschall-Frequenzgang als auch indirekt über die Lautsprechertypen und Übergangsfrequenzen das Abstrahlverhalten (Richtdiagramm).
Zu sogenannten Subsonicfiltern siehe Lautsprechergehäuse.
Ausführungsformen
Folgende prinzipielle Ausführungsformen sind möglich:
- analog passiv: Großsignalfilter aus Leistungs-Widerständen, spannungsfesten Kondensatoren und belastbaren Spulen, ggfs. auch Sicherungselementen,
- analog aktiv: Kleinsignalfilter aus Widerständen, Kondensatoren und Operationsverstärkern,
- digital aktiv: Kleinsignalfilter aus AD-Wandlern, DSPs und DA-Wandlern.
Es sind auch Mischformen möglich, wie z. B.
- Verlegen der Entzerrfunktion einer Passivweiche in eine zusätzliche (mit Kleinsignalen arbeitende) Baugruppe, die
- entweder in den Signalweg einzuschleifen ist (Tape Monitor-Schleife oder Pre-Out/Main-In)
- oder fest im Verstärker integriert ist (Kompaktanlagen, Designanlagen),
- analoge Passivweiche für die Auftrennung des Signals auf den Mittel- und Hochtonbereich, aber (elektronische) Aktivweiche für die Ansteuerung des Tieftöners.
Steilheit von Frequenzweichen
Die Steilheit einer Weiche kann man durch die Ordnung des Filters oder durch die asymptotische Flankensteilheit angeben. In der Praxis findet man Passivweichen 1. bis 4. Ordnung (6 bis 24 dB/oct bzw. 20 bis 80 dB/dec), Aktivweichen 2. bis 8. Ordnung sowie Digitalfilter mit Übergangsbereichen zwischen 50 Hz und 500 Hz.
In der High-End-Szene sind Filter niedriger Ordnung (1. Ordnung) sehr beliebt, weil sie angeblich das Signal kaum verfälschen. Dabei wird aber oft übersehen, dass man es in der Praxis nie mit idealen Chassis auf unendlich großen Schallwänden in unendlich großen Räumen zu tun hat, sondern mit nichtidealen Bedingungen, so dass Frequenzweichen ohnehin neben der Filterung eine Entzerrfunktion übernehmen müssen. Das Ergebnis hängt dabei weniger von praxisfremden Dogmen ab, als viel mehr von einem sauber abgestimmten Zusammenspiel von Chassis, Lautsprecheraufbau, Weiche und Hörraum. Filter geringer Ordnung bereiten hierbei größere Probleme,
- da der Frequenzbereich, in dem ein Chassis einen Einfluss ausübt, wesentlich größer wird, z. B. Mitteltonchassis 400 Hz…3 kHz (elektrische −3dB-Eckfrequenzen): 1. Ordnung ~ 40 Hz…30 kHz, 2. Ordnung ~ 130 Hz…9 kHz, 4. Ordnung ~ 230 Hz…5 kHz, 8. Ordnung: 300 Hz…4 kHz (jeweils elektrische −20dB-Eckfrequenzen),
- da der Überlappungsbereich zwischen 2 benachbarten Chassis wesentlich größer wird, z. B. Mitteltonchassis 400 Hz…3 kHz mit Hochtonsystem ab 3 kHz: 1. Ordnung ~ 0,3…30 kHz, 2. Ordnung ~ 1…9 kHz, 4. Ordnung ~ 1,7…5 kHz, 8. Ordnung: 2,3…4 kHz, 16. Ordnung: 2,6…3,4 kHz (jeweils Überlapp betrachtet innerhalb der elektrischen −20-dB-Eckfrequenzen); in diesem Bereich muss auf den Frequenzgang zweier Chassis und deren Phasenverhalten geachtet werden.
Weitere Probleme sind:
- Hochpässe 1. Ordnung ergeben die größte thermische Belastung eines Chassis außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereiches, erst ab Filter 2. Ordnung halten sich thermische Belastung innerhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches die Waage, ab Filter 3. Ordnung ist es erst so, dass die Hauptbelastung eines Chassis durch das eigentliche Nutzsignal erfolgt.
- Hochpässe 1. Ordnung ergeben die größte mechanische Belastung eines Chassis außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereiches, zumindest wenn ein mechanischer Hochpass des Chassis (d. h. abfallender Schallpegelverlauf des ungefilterten Chassis) nicht berücksichtigt wird; erst ab Filter 3. Ordnung halten sich mechanische Belastung innerhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches die Waage, ab Filter 4. Ordnung ist es erst so, dass die Hauptbelastung eines Chassis durch das eigentliche Nutzsignal erfolgt.
In der professionellen Beschallungstechnik greift man nur aufgrund der besseren Impulswiedergabe,geringeren Latenz ( Gruppenlaufzeit ) und des ausgeglicheneren Phasenverhaltens ( über der Frequenz ) auf Filter 3.Ordnung zurück. Filter 3. Ordnung haben entweder Butherworth- oder Besselcharakteristik.
Befürworter flacher elektrischer Filter führen als Argument für deren Verwendung deren geringe Drehungen der elektrischen Phase ins Feld bzw. die damit verbundene Verbesserung der Impulswiedergabe. Die Hörbarkeit von Phasendrehungen hängt neben ihrer Stärke auch vom betrachteten Frequenzbereich bzw. dem wiederzugebenden Signal ab. Eigenheiten im Übertragungsverhalten der gesamten Konstruktion können durch entgegen gesetzt wirkende Filtersätze kompensiert werden. Ein Vorteil flacher Filter kann darin bestehen, dass sich ein in Bezug auf die Frequenz gleichmäßigeres horizontales Abstrahlverhalten realisieren lässt; allerdings nehmen in der Vertikalen Interferenzprobleme zu.
Beispiel für einfachen 3-Wege-Hybrid-Lautsprecher mit Weiche 2. Ordnung:
+-------||--------+ | | __ | __ |\ | |\ ----+-----------------+-----|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \ | _|_ | |/ | >----+ | ___ _|_ |- / __|__/| Konus- _|_ | --- |/ | | | Tief- ___ <_ | |___| | töner | _> _|_ | \| | <_ _|_ | | +----+ +----+----+ | | | | | <_ __|__ _|_ <_ __|__ _> | |\ Hoch- ___ _> | |\ Mittel- <_ |___|/ töner | <_ |___|/ töner | | | | | ----+----+------------+----+----+Passivweichen
Passivweiche, 3-Wegesystem (B&W Matrix 3 MK II)Passivweichen werden in der Regel nach dem Leistungsverstärker eingesetzt, und haben damit folgende Restriktionen:
- Begradigungen des Frequenzganges mit verlustbehafteten Bauteilen kosten immer Wirkungsgrad. Ein Teil der zugeführten elektrischen Energie wird schon in der Weiche in Wärme umgewandelt.
- Eine Bassentzerrung, wie sie bei aktiven Weichen üblich ist, ist nur in begrenztem Umfang möglich und führt leicht zu verstärkerkritischen Lasten.
- Es entsteht eine erhebliche Belastung der Bauteile durch Ströme und Spannungen; daher ergeben sich vor allem für richtig dimensionierte Spulen erhebliche Größen.
- Umschalten zwischen verschiedenen Abstimmungen (z. B. für Raumentzerrung) ist aufwendig und daher meistens nicht vorhanden.
Der Hauptvorteil von Passivweichen besteht darin, dass ein einzelner Leistungsverstärker zum Betrieb eines Lautsprechers ausreicht.
Grundsätzlich ist es auch möglich, Passivweichen zwischen Vor- und Leistungsverstärkern einzusetzen, wobei viele der oben genannten Restriktionen entfallen. Die Bauteildimensionierung erfolgt dem Leistungsverstärker-Eingangswiderstand entsprechend.
Die Abbildung zeigt zwei Formen einer Zweiwegeweiche mit Hoch- und Tiefpässen 2. Ordnung (links: Parallelweiche, rechts: serielle Weiche.)
Bei Filtern 2. oder höherer Ordnung kann durch die Wahl der Bauteilwerte relativ zueinander die Filtergüte beeinflusst werden. Dieses äußert sich in einem unterschiedlichem elektrischen Amplituden- und Phasengang im Bereich der Filtereckfrequenz.
Neben denjenigen Kondensatoren und Spulen, die die eigentlichen Hoch- oder Tiefpässe bilden, können passive Weichen weitere Bauteile und Bauteilgruppen enthalten. Dazu gehören:
- einzelne Widerstände oder aus Widerständen gebildete Spannungsteiler zur Pegelanpassung verschiedener Chassis,
- Widerstand-Kondensator-Serienglieder (Zobelglieder) zur Impedanzlinearisierung,
- Widerstand-Kondensator- oder Widerstand-Spule-Parallelglieder zur breitbandigen Absenkung tieferer oder höherer Töne,
- Parallelschwingkreise (Sperrkreise) zur Schallpegel-Entzerrung,
- Serienschwingkreise (Saugkreise) zur Schallpegel- oder Impedanzentzerrung,
- Phasenschieber zur Phasenanpassung zweier Chassis,
- Sicherungselemente (PTC-Elemente, Soffitten).
Aktivweichen
Aktivweichen arbeiten elektronisch und werden vor dem Leistungsverstärker eingesetzt. Es bestehen folgende Unterschiede zur Passivweiche:
- Für den Aufbau sind nur Kondensatoren, Widerstände sowie Operationsverstärker notwendig.
- Die Bauelemente benötigen keine hohe Belastbarkeit, die Weiche ist leicht miniaturisierbar.
- Daher sind komplexere Weichen möglich.
- 100 % der Leistungsverstärkerleistung kommen am Chassis an.
- Keine Intermodulation der Wege bei Übersteuerung, auch bei Übersteuerung des Basses weiterhin eine saubere Hochtonwiedergabe.
- Daher ist nur ein Bruchteil der Leistung eines Vollbereichsverstärkers notwendig (Faktor 3 bis 10).
- Keine Rückwirkungen zwischen Chassis und Weiche, leichter dimensionierbar und ggf. anpassbar.
- Überlastüberwachung präziser implementierbar als bei Passivweichen.
Beispiel für einfachen 2-Wege-Aktiv-Lautsprecher mit Weiche 4. Ordnung:
+-------||--------+ +-------||--------+ | | | | |\ __ | __ |\ | __ | __ |\ | |\ --| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \ |/ | | |/ | |/ | >----+ | _|_ _|_ |- / __|__/| Konus- | --- --- |/ | | | Tiefmittel- | | | |___| | töner | _|_ _|_ | \| | _|_ | __ __ | +------|__|-------+ +------|__|-------+ | | | | | | | |\ | | |\ | |\ +---||---+---||---+---| >--+---||---+---||---+---| >--+--|+ \ _|_ |/ _|_ |/ | >----+ | | | | |- / __|__ |_| |_| |/ | |\ Kalotten- | | |___|/ hochtöner _|_ _|_ | _|_Digitale Aktivweichen
Digitale Weichen sind immer Aktivweichen. Es gilt daher im Wesentlichen das oben zu Aktivweichen Gesagte.
Meistens sind mehrere Eingänge vorhanden, um sowohl das Einspeisen von analogen Signalen zur erlauben als auch das verlustfreie Einspeisen von Digitalsignalen über XLR, TOSLINK oder S/P-DIF. Hinter einem Quellwahlschalter befindet sich ein Digitaler Signalprozessor geeigneter Leistungsfähigkeit. Dieser korrigiert und teilt das Signal für die entsprechenden Chassis. Das Ausgangssignal wird über Digital-Analog-Wandler wieder ins Analoge übersetzt, auf Leistungsverstärker gegeben und den Chassis zugeführt. Der notwendige Aufwand ist höher als bei analogen Aktivweichen, allerdings sind deutlich komplexere und trotzdem langzeitstabile Filter möglich. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung verringern sich die Unterschiede im Aufwand verglichen mit elektronischen Aktivweichen.
Beispiel für einfachen 3-Wege-DSP-Aktiv-Lautsprecher:
_______ _______ |\ +------------+ | | | | +--|+ \ | | 24 bit | RAM | | ROM | | | >-----+ analog ----| AD-Wandler |---//---+ |_____| |_____| | |- / __|__ max. 4 V | | | | | | |/ | |\ Kalotten- +------------+ | +----------+ +---+-------+---+ | |___|/ hochtöner +--| | | | | | +------------+ | | | DAC--+ _|_ | | 24 bit | Quellen- | | Digitaler | |\ S/P-DIF--/--+ S/P-DIF- +---//------| wahl- +----+ Signal- DAC-----|+ \ | Receiver | | schalter | | Prozessor | | >-----+ +------------+ | | | (DSP) DAC--+ |- / __|__/| +--| | | | | |/ | | | Konus- +------------+ | +----------+ +---+-+-+-+-----+ | |___| | mittel- 690 nm | | 24 bit| | | | | | | \| töner TOS _/\/\/\_| TOSlink- +---//---+ weitere Anschlüsse | _|_ link | Receiver | für Fernbedienung, | |\ +------------+ Anzeigen, Temperatur- +--|+ \ sensoren, Relais | >-----+ /| |- / ___|___/ | |/ | | | Konus- | | | Tief- |_____| | Töner | \ | | \| _|_Vorteile der digitalen Frequenzweiche
Antennenweiche (Mastweiche zur Zusammenführung mehrerer Antennen auf ein Kabel), Breite 115 mm
Antennenweiche (Innenaufbau zu Bild oben); Spulen (rot) und Kondensatoren (orange) bilden Hoch-, Tief- und Bandpässe für die verschiedenen FrequenzenDa das Musiksignal in mathematischer Form vorliegt, kann es berechnet und zwischengespeichert werden. Außerdem ist es vor Störeinflüssen (Einstreuung) geschützt. Digitale Frequenzweichen werden herstellerseitig durch Updates der Software auf dem aktuellen Stand der Technik gehalten und optimierte Parametersätze der am Markt befindlichen Lautsprechersysteme sind kundenseitig abrufbar. Eine digitale Frequenzweicheneinstellung lässt sich schnell editieren (ändern), da sie auf einer Rechenfunktion beruht. Zudem lässt sich die Einstellung als Datei abspeichern und vergleichen. Mittels handelsüblicher PCs (IBM-kompatible)und seriellen Datenschnittstellen (RS232,RS485,MIDI,USB usw.)lassen sich über ein graphisches Benutzerdisplay sämtliche Parameter interaktiv bearbeiten und die daraus folgenden Kurven der Amplitude,Phase,Gruppenlaufzeit und Sprung- und Impulsantwort frequenzbezogen darstellen. Ein unschlagbarer Vorteil der digitalen Frequenzweichen ist damit die Vernetzungsfähigkeit vieler Geräte zu einem servicefreundlichem Steuerungssystem, beispielsweise für Hotelanlagen, Sportarenen, Theaterhäuser, Konzerthallen.
Man kann Filter höherer Ordnungzahl und div. Charakteristik (vgl. Filter ) verwenden – bis zu -52 dB/octave(maximal -96dB/octave bei NEVILLE-THIELE Filtersätzen. Man kann Laufzeitunterschiede korrigieren (sog. Delayfunktion ⇒ Zwischenspeicherung) und somit Interferenzen im Übernahmebereich vermindern (wichtig zwischen z. Sub-und Basslautsprecher. Hochton – Mittelton) oder Lautsprechergruppen, die in unterschiedlicher Entfernung zum Publikum stehen, derart einregeln, dass der Schall zeitgleich beim Publikum ankommt.Bei Zeilenstrahlern sog. Line-Arrays und artverwandten Systemen können digitale Frequenzweichen die horizontale und vertikale Abstrahlcharakteristik eines elektroakustischen Übertragungssystems grundlegend verändern . Dies ist bei plötzlicher Schwankung von Temperatur ,Witterung,Luftdruck und Luftfeuchte ( Open-Air;Sportstadien,Flughäfen und Bahnhöfe) ohne Unterbrechung des Tonsignals möglich.
In der professionellen Beschallung werden häufig Digitalweichen verwendet. Dort nennt man diese Geräte „System-Controller DSPs“ oder "Loudspeaker Management System". Sie werden zwischen Mischpult und Leistungsverstärker (Endstufe) geschaltet und übernehmen mittels einer "Sense-Rückleitung" eine aktive Überwachung zum Schutz der Schallwandler vor Zerstörung durch Überlastung.
Antennenweichen
Antennenweiche, Ausführung mit Leitungskreisen in Streifenleitertechnik, oben (gelb) ein BalunAntennenweichen teilen nahezu verlustfrei Hochfrequenzsignale verschiedener Frequenzbänder auf oder führen sie in ein gemeinsames Kabel zusammen. Hierdurch können von verschiedenen Antennen auf verschiedenen Frequenzen empfangene bzw. zu sendende Signale auf einem gemeinsamen Kabel übertragen werden.
Beim Empfang werden die von verschiedenen Antennen oder anderen Quellen stammenden, auf einem Kabel übertragenen Signale zum Beispiel auf die verschiedenen Empfänger (z. B. UKW- bzw. CCIR-Band II, AM-, Fernsehen CCIR-Band I, III, IV, V) aufgeteilt.
Zu den zugehörigen Frequenzbändern siehe Kanalraster und Frequenzen der Fernsehkanäle.
Antennenweichen arbeiten immer passiv und verwenden diskrete Kondensatoren und Spulen oder auch Leitungskreise.
Zur Trennung von gesendetem und empfangenen Signal gleicher Frequenz werden Richtkoppler und Zirkulatoren eingesetzt.
Weitere Frequenzweichen
Passive Frequenzweichen werden auch eingesetzt bei:
- dem Splitter zum Trennen des analogen Telefonsignales vom ADSL-Signal
- dem Babyfon, wenn es über das Stromnetz arbeitet, zur Abtrennung der Netzfrequenz vom auf eine Trägerfrequenz modulierten Audiosignal
- dem über das Stromnetz übertragenen Internet; siehe Powerline
Literatur
- Helmut Röder, Heinz Ruckriegel, Heinz Häberle: Elektronik 3.Teil, Nachrichtenelektronik. 5. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Wuppertal, 1980, ISBN 3-8085-3225-4
- Götz Schwamkrug: Lautsprecher-Boxen Aufbau-Umbau-Nachbau. 2. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 1989, ISBN 3-921608-83-X
- Wolfgang-Josef Tenbusch: Grundlagen der Lautsprecher. 1. Auflage, Michael E. Brieden Verlag, Oberhausen, 1989, ISBN 3-9801851-0-9
- Berndt Stark: Lautsprecher Handbuch. 7. Auflage, Richard Pflaum Verlag GmbH & Co.KG, München, 1999, ISBN 3-7905-0807-1
Siehe auch
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