Frequenzweiche (Lautsprecher)
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.
Frequenzweichen werden u.a. verwendet für:
- Aufteilung eines Audiosignales auf unterschiedliche Lautsprecher
- Zusammenführen oder Aufteilen von Hochfrequenzsignalen von/auf unterschiedliche Antennen (Antennenweiche)
- Aufteilen des (z.B. von einer Antennenanlage kommenden) Empfangssignales auf die jeweils geeigneten Tuner-Baugruppen u.a. in Fernsehempfängern
Funktion von Lautsprecher-Frequenzweichen
Da es kein Wandlerprinzip gibt, das den kompletten hörbaren Frequenzbereich mit wirklich guter Qualität abstrahlen kann, ist es sinnvoll, die vom Verstärker kommenden Signale mittels Kondensator und Spule aufzuteilen. Tiefton-, Hochton- und ggf. Mitteltonfrequenzen werden dann an die dafür vorgesehenen Wandlersysteme (inner- oder außerhalb eines Lautsprechers) weitergeleitet und so auch der Doppler-Effekt vermindert.
Demzufolge haben Frequenzweichen zwei wesentliche Funktionen:
- Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege
- Frequenzganglinearisierung / Pegelanpassung
Weiter kommen noch folgende optionale Funktionen dazu:
- Überlastschutz (aktive durch Limiter oder passiv durch PTCs)
- Impedanzlinearisierung
Passivweichen sind meistens die preiswerteste Wahl zur Realisation eines Zwei- oder Mehrwegesystems. Die Möglichkeiten besonders hinsichtlich der Frequenzganglinearisierung sind jedoch beschränkt. Dies gilt insbesondere für Anhebungen von Amplituden, wie man sie sich z.B. vor allem am unteren Ende des Frequenzganges wünschen würde.
Es sind allerdings auch Mischsysteme möglich, in denen die Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege passiv, die Frequenzganglinearisierung jedoch aktiv durch eine zwischen Vor- und Endverstärker geschaltete Baugruppe geschieht.
Entgegen landläufiger Meinung ist eine Frequenzweiche ein sehr individuell an ein Chassis-Set angepasstes System, ein Chassis-Austausch erfordert so gut wie immer eine vollständige Neuanpassung der Weiche.
Die Weiche bestimmt sowohl Direktschallfrequenzgang wie auch das Abstrahlverhalten und damit den Diffusfrequenzgang.
Zu Subsonicfiltern sieh hier.
Ausführungsformen von Lautsprecher - Frequenzweichen
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 OPVs
- 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)
- analoger Passivweiche für die Auftrennung des Signals auf das Mittel- und Hochtonbereich, aber (elektronischer) Aktivweiche für die Ansteuerung des Tieftöners.
Steilheit von Frequenzweichen
Die Steilheit einer Weiche kann man durch Angabe der Ordnung des Filters oder durch die asymptotische Flankensteilheit angeben. In der Praxis findet man Passivweichen 1. bis 4. Ordnung (6 dB/oct bis 24 dB/oct), 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 als mehr auf ein sauber abgestimmtes Zusammenspiel von Chassis, Lautsprecheraufbau, Weiche und Hörraum ab. 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),
- 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 -20dB-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 wird man daher kaum Weichen mit einer geringeren Ordnung als 4 finden.
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. Oft wird nicht berücksichtigt, dass die Chassis selber elektrische und akustische Phasendrehungen verursachen.
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
| | | | |
----+----+------------+----+----+
Passivweiche
Passivweichen werden in der Regel nach dem Leistungsverstärker eingesetzt, und haben damit folgende Restriktionen:
- Begradigungen des Frequenzganges kostet 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 genannte 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. Dies 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).
Aktivweiche
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 komplexere Weichen möglich
- 100% der Leistungsverstärkerleistung kommt am Chassis an
- Keine Intermodulation der Wege bei Übersteuerung, auch bei Übersteuerung des Basses weiterhin eine saubere Hochtonwiedergabe
- Daher 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 Aktivweiche
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, TOS-Link 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 die Möglichkeiten deutlich höher. Es 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-
690nm | | 24 bit| | | | | | | \| töner
TOS _/\/\/\_| TOSlink- +---//---+ weitere Anschlüsse | _|_
link | Receiver | für Fernbedienung, | |\
+------------+ Anzeigen, Temperatur- +--|+ \
sensoren, Relais | >-----+ /|
|- / ___|___/ |
|/ | | | Konus-
| | | Tief-
|_____| | Töner
| \ |
| \|
_|_
Vorteile der digitalen Frequenzweiche:
Da das Musiksignal in mathematischer Form vorliegt, kann es berechnet und zwischengespeichert werden. Außerdem ist es vor Störeinflüssen (Einstreuung) geschützt.
Eine digitale Frequenzweicheneinstellung lässt sich schnell editieren (ändern), da sie auf einer Rechenfunktion beruht. Zudem lässt sich die Einstellung als Datei abspeichern und vergleichen.
Man kann steile Filter verwenden - bis zu 48 dB. Man kann Laufzeitunterschiede korrigieren (sog. Delayfunktion => Zwischenspeicherung) und somit Auslöschungen im Übernahmebereich vermindern (wichtig zwischen z.B. Hochton - Mittelton) oder Lautsprechergruppen, die in unterschiedlicher Entfernung zum Publikum stehen derart einregeln, dass der Schall zeitgleich beim Publikum ankommt.
In der professionellen Beschallung werden häufig Digitalweichen verwendet. Dort nennt man diese Geräte "digital Controller" die zwischen dem Mischpult und den Endstufen geschaltet werden.