Fachhochschule Dortmund FB Nachrichtentechnik ELA - Prakt. Versuch 13: Frequenzweichenberechnung SS 1995

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1 In der Praxis werden überwiegend Frequenzweichen erster, zweiter und dritter Ordnung verwendet, die im olgenden einzeln beschrieben werden. Frequenzweiche. Ordnung Diese Weiche kommt mit nur einem Bauteil in jedem weig aus. Der Tiepaß (läßt nur tiee Frequenzen zu) wird durch eine Reihenspule, der Hochpaß (läßt nur hohe Frequenzen durch) durch einen Reihenkondensator gebildet. Die renzrequenz liegt da, wo die Spannung um 3 db abgeallen ist. Die Flankensteilheit beträgt 6 db/oktave, d.h. bei jeder Verdoppelung der Frequenz verändert sich die Spannung am autsprecher um den Faktor. Vorteilhat ist der sehr geringe Bauteileauwand und ein günstiges Phasenverhalten. Breitbandige hassis mit ausgeglichenen Frequengängen können mit klanglich ausgezeichnetem Ergebnis so gekoppelt werden. Der Nachteil ist, daß der autsprecher Frequenzen zugeührt bekommt, die weit außerhalb seines optimalen Einsatzbereiches liegen. Kalottenhochtöner z.b. produzieren ot einen hohen Klirraktor bei der Resonanzrequenz. Wenn man die Trennrequenz eine Oktave höher als die Resonanzrequenz R legt, wird die Spannung bei R nur um den Faktor verringert. Das ist ot nicht ausreichend. Außerdem bringt das die eahr der mechanischen Überlastung durch zu große Amplituden der Kalotte mit sich. In solchen Fällen muß die Trennrequenz mindestens Oktaven höher als die Resonanzrequenz der Kalotte liegen oder man greit zu einer Weiche höherer Ordnung. 0 lg U T /U 0 0 lg U H /U 0-0dB k,6k,5k 4k 6,3k 0k 6k lg /Hz U 0 Tiepaß U T π Hochpaß U H

2 U 0 π Frequenzweiche. Ordnung Bei einer Frequenzweiche. Ordnung werden ür Tiepaß und ür Hochpaß je zwei Bauteile benötigt. 0 lg U T /U 0 0 lg U H /U 0-0dB k,6k,5k 4k 6,3k 0k 6k lg /Hz U 0 Tiepaß U T π U 0 Hochpaß U H Das hat den Vorteil, daß diese Weiche die einzelnen Frequenzbereiche stärker voneinander trennt als eine Weiche. Ordnung. Man kann die optimalen Frequenzbereiche eines autsprechers besser ausnutzen. Außerdem ist die eahr der Überlastung eines Hochtöners durch tiee Frequenzen geringer. Die Flankensteilheit hängt von der Dimensionierung der Bauteile ab. In der Regel wird db/oktave mit sogenannten Butterworth-harakteristik gewählt, da das ein guter Kompromiß zwischen Impulsverhalten und Flankensteilheit ist. Hoch -und Tiepaß verschieben die Phase im

3 Übernahmebereich so, daß man den autsprecher im Hochpaß umpolen muß. Andernalls heben sich im Übernahmebereich die Schallwellen au und man bekommt im Frequenzgang einen Einbruch (s. Abb.). 0 lg p/pmax -0dB ϕ ( U T ) - ϕ ( U H ) k,6k,5k 4k 6,3k 0k 6k lg /Hz Bis jetzt sind nur Frequenzweichen ür weiwegeboxen besprochen worden. Für Dreiwegeboxen braucht man einen Bandpaß, der nur mittlere Frequenzen durchläßt. Im Prinzip besteht er aus Tie -und Hochpaß, die hintereinandergeschaltet sind. Die Berechnung erolgt wie bei den einzelnen Pässen. Natürlich muß darau geachtet werden, daß sich die Frequenzbereiche überlappen, d.h. die Trennrequenz des Tiepasses liegt höher als die des Hochpasses. Um Phasenverschiebungen auszugleichen, werden bei einer Dreiwegweiche die autsprecher am Tie -und Hochpaß richtig, nur am Bandpaß dagegen verpolt angeschlossen. Bei kommerziellen Frequenzweichen ist dies meist schon durch eine Beschritung berücksichtigt, so daß der Pluspol des autsprechers mit dem Pluspol der Weiche verbunden werden muß. 0 lg U M /U 0-0dB U O 3

4 k,6k,5k 4k 6,3k 0k 6k lg /Hz U M U π U O π O Frequenzweiche 3. Ordnung Will man noch höhere Flankensteilheit verwirklichen, muß man pro weig noch ein weiteres Bauteil verwenden. Die Flankensteilheit ist mit 8 db pro Oktave wieder um 6 db pro Oktave gegenüber einer Weiche. Ordnung gestiegen. Mit dieser Frequenzweiche kann man z.b. Treiber noch sehr nahe an die kritische ut-o-frequenz eines Horns ankoppeln. Bandpässe 3. Ordnung benötigen allein sechs Bauteile. In den meisten Fällen lohnt sich dieser Auwand nicht. 0 lg U T /U 0 0 lg U H /U 0-0dB k,6k,5k 4k 6,3k 0k 6k lg /Hz H H T T 4

5 U 0 Tiepaß T U T U 0 Hochpaß H U H Tiepaßelemente: T π T 3 T Hochpaßelemente: H 3 8π H 3π H π Versuchsvorbereitungen (Hausaugaben): Warum beträgt bei einem Tiepaß.Ordnung die Flankensteilheit -6dB/Oktave? Warum beträgt bei einem Tiepaß.Ordnung die Flankensteilheit -db/oktave? Warum beträgt bei einem Tiepaß 3.Ordnung die Flankensteilheit -8dB/Oktave? Welche Näherung wird bei der Herleitung der oben angegebenen Formeln ür angenommen? eben sie die exakte Formel ür die Übertragungsunktion U H ()/U 0 () ür die Frequenzweiche mit dem Hochpaß.Ordung an. Berechnen Sie die Elemente einer Frequenzweiche.Ordnung mit: 5kHz P max 00W (4Ω-Tietöner) φ 35mm (mittlerer Wickeldurchmesser) Berechnen Sie den Drahtdurchmesser der Spule so, daß dieser mit maximal 0A/mm² belastet werden kann. Versuchsdurchührung: 5

6 Unter Anleitung wird eine Spulen gewickelt. Anschließend wird mit dem berechneten Kondensator eine Weiche augebaut und an eine Box angeschlossen. In einem Hörtest wird diese mit einer Frequenzweiche.Ordnung verglichen. Die Ergebnisse werden protokolliert. Mit einem Programm wird die Übertragungsunktion einer Weiche 3.Ordnung berechnet und dargestellt. 6