Lautsprecherdesign mit Hilfe moderner Digitalcontroller

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1 Lautsprecherdesign mit Hilfe moderner Digitalcontroller Michael Makarski Rainer Thaden Anselm Goertz Jochen Kleber Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen Literatur zum Thema Stefan Weinzierl Handbuch der Audiotechnik Springer Verlag Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 2

2 Funktionen eines Controllers Frequenzweiche als Basisfunktion Filter zur Systementzerrung Pegelanpassung Laufzeitanpassung Überlastungsschutz Funktionskontrolle... Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 3 Frequenzweichenfilter Lautsprecher ohne Filter passive Filter aktive Filter digitale FIR-Filter Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 4

3 Controller in der Praxis Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 5 Strategien Einsatz eines jeden Weges in seinem optimalen Einsatzbereich bzgl. Übertragungsfunktion, Verzerrungsverhalten,... Definition des idealen Filters Filter mit minimaler Latenz Kompromiss zwischen Latenz und Zeitverhalten des Ergebnisses Optimierung der Directivity Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 6

4 Basis für die Filterberechnung Detaillierte Messungen eines jeden Weges in einem Lautsprechersystem für: Impedanz in Amplitude und Phase Freifeldfrequenzgang unter definierten Bedingungen Phasengang mit Laufzeitbezug der Wege zueinander Directivity in der hor. und ver. Ebene oder Komplette Balloon Daten mit Amplitude und Phase Verzerrungswerte als THD(f) oder max.spl Voraussetzungen Reflexionsarme Bedingungen Hinreichender Messabstand (je nach Größe der Lautsprecher) 1-8 m Hoch auflösende (24-Bit / 96 khz) und verzerrungsarme (THD <-80dB) Messtechnik Drehteller oder Drehvorrichtung für die Directivity-Messungen mit hinreichender Auflösung und Präzision (min. 5 ) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 7 Beispiel: 4-Wege Box 4- Wege HiFi/PA-Box Subwoofer: Volt 18 LF: Volt 12 MF+HF; BMS 2 +1 Coaxdriver Kugelwellenhorn 60 Endstufen: Klein+Hummel Pro A2000 Controller: Four-Audio: HD2 Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 8

5 Impedanzmessung Sub Low Mid High Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 9 Frequenzgangmessung Sub Low Mid High Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 10

6 Frequenzgangmessung und Fensterung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 11 Impulsantwort Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 12

7 Störende Reflexionen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 13 Fensterfunktion 1 (ca. 100 ms) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 14

8 Fensterfunktion 2 (ca. 50 ms) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 15 Fensterfunktion 3 (ca. 30 ms) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 16

9 Fensterfunktion 4 (ca. 20 ms) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 17 Fensterung bei Subwoofer Messungen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 18

10 Nahfeldmessungen ohne Raumeinfluss Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 19 Pegelanpassung für Membran und Tunnel Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 20

11 Addition der Strahlerflächen zur Nahfeldsumme Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 21 Kombination Nahfeld- und Fernfeldmessung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 22

12 Gesamtergebnis mit einem Übergang bei 100 Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 23 Zerfallsspektren Sub Low Mid High Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 24

13 Zerfallsspektrum Mitteltonweg im Detail Mid Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 25 Verzerrungswerte bei 5 W k2 und k3 Sub Low Mid High Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 26

14 Verzerrungswerte Mitteltonweg im Detail Mid Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 27 Horizontale Directivity Messung in einer Ebene (typ. Hor. oder Ver.) Darstellung mit 1/20 Oct. Frequenzauflösung und 5 Winkelauflösung von 180 bis +180 Rohdaten mit einem komplexen Spektrum für jeden einzelnen Messpunkt Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 28

15 Auswahl der Trennfrequenzen 120 Hz 800 Hz 6 khz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 29 Directivity Low Speaker 800 Hz 120 Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 30

16 Directivity Mid Speaker 800 Hz 6 khz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 31 Directivity High Speaker 6 khz 60 Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 32

17 Ideales Filter Amplitudenverlauf des Summenfrequenzganges linear oder nach Anforderung (Wunschfrequenzgang) Amplitudenverlauf der gefilterten Einzelwege linear oder nach Anforderung (z.b. überlappende Verläufe) Phasendifferenz zwischen den Einzelwegen: 0 oder einstellbar nach Anforderung Gruppenlaufzeit des Summenfrequenzganges konstant Gruppenlaufzeit der Einzelwege konstant Flankensteilheit der Filter beliebig einstellbar Hohe Dämpfung im Sperrband Latenz des Summenfrequenzganges sollte möglichst gering sein Alle Anforderungen sind niemals gleichzeitig erfüllbar! Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 33 Filter minimaler Latenz Der größtmögliche Teil des Spektrums soll mit minimaler Latenz übertragen werden Geforderter Amplitudenverlauf: linear Optimale Addition im Übernahmebereich Normalerweise möglichst symmetrische Abstrahlung der Anordnung Konstante Phasendifferenz (am besten 0 ) zwischen den Wegen Ausreichende Flankensteilheit Im Gegenzug: Gruppenlaufzeitverzerrung des Summenfrequenzganges Anstieg der Gruppenlaufzeit zu tiefen Frequenzen Realisierung IIR: Abbildung analoger Filter FIR: Abbildung der Impulsantwort der gewünschten analogen Filter Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 34

18 Linkwitz-Riley 4.O. mit fc = 250Hz, 500Hz, 1000Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 35 Linkwitz-Riley 4.O. mit fc = 250Hz, 500Hz, 1000Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 36

19 Linkwitz-Riley 4.O. mit fc = 250Hz, 500Hz, 1000Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 37 Linkwitz-Riley Ordnung mit fc = 250Hz Filterordnung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 38

20 Linkwitz-Riley Ordnung mit fc = 250Hz Filterordnung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 39 Filterdesign mit IIR-Filtern Einzelne Wege mit PEQs bis ca. eine Oktave über die gewünschte Trennfrequenz hinaus entzerren, falls möglich! Pegel der einzelnen Wege zueinander anpassen Delays der einzelnen Wege zueinander anpassen Phasenlage mit Hilfe von Allpassfiltern anpassen Frequenzweichenfilter auswählen Bei Bedarf: Limiter, Kompressoren etc. einstellen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 40

21 Basisdaten der einzelnen Wege Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 41 EQs der einzelnen Wege Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 42

22 Lautsprecher mit EQs Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 43 Pegelanpassung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 44

23 Lautsprecher mit EQs und Gain Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 45 Delayanpassung Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 46

24 Lautsprecher mit EQs, Gain und Delay Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 47 Übergang von Sub auf Low bei 120 Hz 120 Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 48

25 Übergang von Low auf Mid bei 800 Hz 800 Hz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 49 Übergang von Mid auf High bei 6 khz 6 khz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 50

26 Filterfunktionen der Frequenzweiche Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 51 Filterfunktionen des Controllers Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 52

27 Realisierung der Frequenzweichenfilter IIR-Filter Einfach umzusetzen Geringe Grundlatenz Je nach Typ mehr oder weniger starke Phasendrehung und Gruppenlaufzeit Linearphasige FIR-Filter Erfordern relativ viel Rechenleistung Je nach Trennfrequenz und gewünschter Steilheit mehr oder weniger Latenz Bei limitierter Latenz Einschränkungen bei der Wahl der Trennfrequenzen und Steilheiten Gemischt linear- und minimalphasige FIR-Filter Erfordern relativ viel Rechenleistung Geringe Latenz! Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 53 Frequenzgang des Systems mit allen Filtertypen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 54

28 Phasengang mit minimalphasigen IIR-Filtern Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 55 Laufzeitverhalten mit minimalphasigen IIR-Filtern Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 56

29 Zusammensetzung der Laufzeit Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 57 Zusammensetzung der Laufzeit Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 58

30 Filtertypen und Phasengang der Filtersumme Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 59 Filtertypen und Phasengang der Gesamtsumme Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 60

31 Latenzen in Digitalcontrollern Ursache (z.b. beim HD2) ADC + DAC Buffer Vorausschauender Limiter Stacked ADC FIR-Prozessor Summe X-Over LR24 mit min. IIR X-Over LR24 mit lin. FIR X-Over LR24 mit min.-lin. FIR Bei 96 khz in ms 1,24 0,33 0,66 0,29 0,33 2, Bei 48 khz in ms 2,48 0,66 1,31 0,58 0,66 5, Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 61 Filterdesign mit FIR-Filtern Summenzielfunktion vorgeben Zielfunktionen der einzelnen Wege vorgeben Minimal- und linearphasige Bereiche vorgeben Das FIR Processing führt folgende Schritte aus Pegel der einzelnen Wege zueinander anpassen Delays und Phasenlage der einzelnen Wege zueinander anpassen Frequenzweichenfilter auswählen Filterfunktionen der Kanalfilter berechnen Bei Bedarf: Limiter, Kompressoren etc. einstellen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 62

32 Basisdaten der Lautsprecher (Box-1) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 63 Basisdaten der Lautsprecher (Box-2) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 64

33 Festlegung der Summenzielfunktion Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 65 Zielfunktionen der einzelnen Wege Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 66

34 Zielfunktionen der einzelnen Wege Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 67 FIR-Filter komplett linearphasig mit 76,2 ms Latenz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 68

35 FIR-Filter linearphasig ab 120 Hz mit 36,5 ms Latenz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 69 FIR-Filter linearphasig ab 800 Hz mit 14,7 ms Latenz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 70

36 FIR-Filter linearphasig ab 800 Hz mit 9,3 ms Latenz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 71 Frequenzgänge der Summenfunktionen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 72

37 Phasengänge der Summenfunktionen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 73 Latenzen in Digitalcontrollern mit FIR-Filtern Ursache (z.b. beim HD2) ADC + DAC Buffer Vorausschauender Limiter Stacked ADC FIR-Prozessor Summe FIR komplett linearphasig FIR linearphasig ab 120 Hz FIR linearphasig ab 800 Hz FIR linearphasig ab 800 Hz Bei 96 khz in ms 1,24 0,33 0,66 0,29 0,33 2,85 70,5 30,7 9,0 3,6 Bei 48 khz in ms 2,48 0,66 1,31 0,58 0,66 5,69 70,5 30,7 9,0 3,6 Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 74

38 Filterfunktionen des Controllers mit IIR-Filtern Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 75 Filterfunktionen des Controllers mit FIR-Filtern Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 76

39 Entzerrung auf Wunschfrequenzgang Einmessung von Beschallungsanlagen (Demo) Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 77 Fazit Basis für den grundsätzlichen Entwurf und das Filterdesign sind die umfassenden Messdaten aller Wege Mit einer großen Anzahl von IIR- und optionalen FIR-Filtern stehen alle Möglichkeiten offen FIR-Filter können nur partiell (Systementzerrung, X-Over) oder auch komplett für alle Aufgaben eingesetzt werden FIR-Filter verursachen vom Prinzip her keine Latenzen! Latenzen entstehen durch die programmierten Filterfunktionen Die besten Ergebnisse sind mit einer geschickt gewählten Kombination beider Filtertypen zu erzielen Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 78

40 Controller in der Praxis Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 79 Amping Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 80

41 Subwoofer Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 81 PA-Tower Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 82

42 VuuV Goa-Festival in Putlitz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 83 VuuV Goa-Festival in Putlitz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 84

43 VuuV Goa-Festival in Putlitz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 85 VuuV Goa-Festival in Putlitz Gastvorlesung an der Hochschule Rhein Main in Rüsselsheim am Prof. Dr. Anselm Goertz IFAA Aachen 86