Referat Lautsprecher Teil 3 - Frequenzweiche ... - Eventtechniker.de

Referat Lautsprecher Teil 3 - Frequenzweiche
Wie bereits erwähnt und bekannt, ist jeder Lautsprecher nur für einen bestimmten
Frequenzbereich geeignet, und nur in diesem ganz bestimmten und relativ gut abgegrenzten
Bereich kann das System optimal arbeiten.
Diesen Vorgang der Trennung übernimmt die Frequenzweiche!
Das Ausgangssignal des Mischpultes enthält den gesamten Frequenzbereich und daher ist es
notwendig diesen Frequenzbereich in die Teilbereiche aufzuteilen um sie den entsprechenden
Lautsprechern zuzuführen, wir erinnern uns:
Bass – 20 Hz – 200 Hz
Mitten – 200 Hz – 2000 Hz
Hochton 2000 Hz – 20 kHz

Niedrige Frequenz (Bass) Mittlere Frequenz Hohe Frequenz (Hochton)
Frequenzweichen dienen also zum Aufteilen eines Fullrange-Signals in die einzelnen Wege.
Die von der Weiche isolierten Signale werden dann über den jeweils geeigneten Lautsprecher
parallel zueinander in den Raum abgestrahlt.
Erst in der Luft fügen sich die aufgeteilten Komponenten wieder zum harmonischen
Klangbild zusammen.
Die wesentlichen Merkmale einer Frequenzweiche sind die Trennfrequenz und die
Flankensteilheit.
Die Trennfrequenz
... ist die Frequenz, bei der die Teilung des gesamten Frequenzspektrums in die
entsprechenden Einzelbereiche erfolgt. Die Trennung erfolgt freilich nicht abrupt, sondern bei
der Trennfrequenz, nimmt der Pegel, der dem entsprechendem Lautsprecher zugeführt wird,
langsam ab bzw. zu. Wie stark der Pegelfall ist, das bestimmt die Flankensteilheit.
Die Flankensteilheit
... bestimmt nun also wie stark die Abschwächung bzw. die Zunahme des Pegels bei der
Trennfrequenz ist.
Die Angabe der Flankensteilheit erfolgt in > dB pro Oktave<
Das bedeutet Pegelabfall in dB bei einer Oktave Abstand.
Eine Oktave ist eine Betrachtung, sie bezieht sich auf die Verhältnisse der Frequenzen
zueinander, nicht auf absolute Größen. Das bedeutet 880 Hertz und 440 Hertz klingen als
Oktave, genauso klingen 512 Hertz und 256 Hertz zusammen als Oktave.
Frequenzweichen gibt es mit 6,12,18 und 24 dB pro Oktave.
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Hochpaß, Tiefpaß und Bandpaß?
Der am einfachste zu realisierende Tiefpaß besitzt eine Flankensteilheit von 6 dB/Oktave.
Diesen bezeichnet man als Tiefpaß erster Ordnung. 6 dB/Oktave besagen, das der Signalpegel
bei der ersten Oktave oberhalb der Grenzfrequenz gegenüber dem Durchlassbereich gedämpft
ist. Dies entspricht aber gerade mal einer Halbierung der Signalspannung, so das von einer
effektiven Abtrennung der hohen Frequenzen keine Rede sein kann.
Schon etwas besser sieht die Sache bei 12dB/Oktave,
bei einem Tiefpaß zweiter Ordnung aus.
Bezogen auf eine Grenzfrequenz von beispielsweise 3 kHz ist der Signalpegel bei 6 kHz nun
um 12 dB gedämpft, was einer Reduktion der Signalspannung um den Faktor 4 entspricht.
Die nächste Oktave liegt bei 12 kHz, hier sind weitere 12 dB Signalpegel geschluckt und die
Dämpfung beträgt schon 24 dB. Für die Signalspannung bedeutet dies eine Reduktion um den
Faktor 16. 18 dB/Oktave bedeuten dritter und 24 dB/Oktave sind vierter Ordnung, bei ihnen
ist die Flankensteilheit und die Bedämpfung oberhalb der Grenzfrequenzen noch sehr viel
effektiver, allerdings der bauliche Aufwand auch sehr viel höher.
Damit ein Lautsprecher so wenig wie möglich aus anderen Frequenzbereichen übernimmt, ist
eine hohe Flankensteilheit wünschenswert. Frequenzweichen mit nur 6 dB Flankensteilheit
pro Oktave sind deshalb völlig unzureichend, sie verursachen zu starke Überschneidungen
von Hoch und Tieftonbereich, Der Hochtöner erhält dann zu viele Frequenzen vom Tieftöner
und umgekehrt, während das, dem Baß nichts ausmacht, gerät der geringer belastbare
Hochtöner in Gefahr, leistungsmäßig zu starke Bassanteile fließen über seine Schwingspule.
Die gängigen Frequenzweichen werden daher mit 12 oder 18 dB pro Oktave angeboten.
Allerdings sind passive Frequenzweichen mit hoher Flankensteilheit auch kostspieliger, weil
hier der technische Aufwand höher ist. Mit den aktiven Frequenzweichen lassen sich
wesentlich einfacher Flankensteilheiten von 12, 18 oder 24 dB pro Oktave erreichen.
Phasenprobleme durch Verschiebung, die bei der Trennung der Bereiche mit
Frequenzweichen auftreten können werden bei den aktiven Weichen durch besondere
Filterschaltungen (Butterworth, Bessel, Linkwitz-Riley) gelöst.
Vergleichsdiagramm von 12 dB/Oktave und 24 dB/Oktave Flankensteilheit.
Die beiden Filter Butterworth und Bessel halten bei der Trennfrequenz die Leistung konstant,
wodurch bei gleichphasiger Überlagerung eine leichte Anhebung (Boost) hörbar wird. Diese
eignen sich hervorragend für große Hallen in denen bei vielen Zuhörern zu der direkten
Beschallung ein hoher Reflexionsanteil (Far-Field-Application) hinzu kommt.
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Der Linkwitz-Riley Filter überkreuzt sich hingegen bei der –6 dB Pegeldämpfung und hält
den Spannungspegel konstant, dies lässt eine ausgeglichenere Wiedergabe des
Übergangsbereichs zu, was ihn wiederum für kleiner Räume empfiehlt, in denen der Zuhörer
direkt von den Lautsprechern (Near-Field-Application) versorgt wird.
Hoch-, Tief- und Bandpaß-Filter
Jede Frequenzweiche, die den Frequenzbereich für verschiedene Lautsprecher aufteilt besteht,
bei 3 Wege-Systemen, aus Hoch-,Tief- und Bandpaß-Filter.
Der Hochpass-Filter verhindert das dem Hochton-Lautsprecher zuviel tiefe Frequenzen
zufließen.
Hochpass-Diagramm
Der Tiefpass-Filter hält die hohen Frequenzen vom Bass-Lautsprecher fern.
Tiefpass-Diagramm
In einer 3-Wege-Box beschneidet ein Bandpass-Filter den Mitteltonbereich zu den hohen und
tiefen Frequenzen hin.
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Bandpass-Diagramm
Genau genommen müsste man die Grafiken um 90° nach links drehen !
Der Bandpaß ist also eine Kombination aus hintereinander geschaltetem Hoch und Tiefpaß.
Ein elektronischer Schaltkreis welcher nur Signale eines bestimmten Frequenzbandes
(Frequenzbereiches) passieren lässt. Bei diesem sogenannten Bandbreiten-Filter werden die
Frequenzen unterhalb und oberhalb des Frequenzbandes unterdrückt.
Bei der Trennung mit Hoch- und Tiefpass-Filter ist es wichtig das sich die beiden Flanken bei
exakt –3 dB überschneiden, nur dann ist ein sauberer Übergang von dem einen zum anderen
Lautsprechersystem gewährleistet.
Auch nimmt man stets Filter mit gleicher Charakteristik und gleicher Flankensteilheit.
Ziel ist es, das die Trennung im Klangbild nicht auffällt.
Exakt bei der Trennfrequenz sollen sich die Dämpfungsflanken überkreuzen, so das der
höhere Töner quasi dort weitermacht, wo der tiefere Töner aufhört.
Wird der –3 dB Punkt über oder unterschritten, kommt es zu Einbrüchen oder Anhebungen
im Frequenzverlauf. Der –3 dB Punkt stellt sicher, dass beim Übergang beide Systeme nur
noch den halben Signalpegel erhalten. Die Addition der Pegel ergibt bei der
Übergangsfrequenz einen nahtlosen und linearen Frequenzverlauf.
Für den Hoch- und Tiefpaß gelten also analog die gleichen Zusammenhänge, lediglich die
Durchlass- und Dämpfungsbereiche sind gegenseitig vertauscht.
Beide Filter lassen sich in passiver und aktiver Bauweise realisieren, so das man
dementsprechend auch zwischen passiven und aktiven Weichen unterscheidet.
Passive Frequenzweichen
... sind zwischen der Endstufe und den Lautsprechern geschaltet.
Sie sind die einfache Variante der Frequenzaufteilung. Eine aus Spulen, Widerständen und
Kondensatoren bestehende Weiche, der technische Aufwand ist recht gering, sie wird einfach
mit in die Box eingebaut, ein Vorteil gegenüber den aktiven Frequenzweichen.
Sie erhalten das Gesamtsignal mit der von der Endstufe erzeugten Leistung, können allerdings
nur bestimmte Spannungen vertragen ohne beschädigt oder zerstört zu werden.
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Es gilt also darauf zu achten, das die vom Hersteller angegebene Höchstbelastung nicht
überschritten wird.
Die Trennfrequenz liegt bei den passiven fest und muss bei der Anschaffung entsprechend
dem Anwendungsbereich ausgewählt werden.
Es gibt passive Modelle mit Trennfrequenzen für alle gängigen Einsatzbereiche. Die
Flankensteilheit der passiven Frequenzweiche beträgt in der Regel 12 dB pro Oktave für den
Mitteltonbereich und 18 dB/Oktave für den Hochtonbereich.
Höhere Flankensteilheiten wären konstruktionsbedingt zu aufwendig und sehr kostspielig,
außerdem würden sie zusätzliche Phasenprobleme verursachen.
Bei allen Frequenzweichen ist das phasenrichtige Anschließen der Lautsprecherpole sehr
wichtig, damit keine Phasenverschiebungen auftreten.
Das Signal gelangt vom Mischpultausgang an den (Input) Eingang der Frequenzweiche.
Ist die Weiche mit getrenntem Hoch- und Tiefpass-Filter aufgebaut, wird das Signal beiden
Filtereingängen zugeführt.
Die Lautsprecher sind an beide Ausgänge (High out/Low out) angeschlossen: der
Basslautsprecher an den Ausgang des Tiefpass-Filters, und der Hochtonlautsprecher an den
Ausgang des Hochpass-Filters.
Bei getrennten Hoch- und Tief-Pass-Filtern im 3 Weg-System wird das Gesamtsignal geteilt
und an Hoch und Tiefpaß gemeinsam angeschlossen. Beide bilden dann zusammen den
Bandpaß für den Mitteltöner, der am Tief-Pas Filterausgang angeschlossen ist.
Der Hochtöner wird mit dem Ausgang des noch freien Hochpass-Filters verbunden.
Der Vorteil liegt darin, das komplette Frequenzweichen selten die erforderlichen
Impedanzeigenschaften enthalten die eine spezielle Lautsprecherkombination benötigt.
Die passiven Frequenzweichen haben meistens keine Regelmöglichkeit, lediglich bei einigen
Modellen ist eine Pegelanpassung mit einem Regler möglich.
Auch sonst sind die Nachteile eher überwiegend.
Da die Aufteilung der Frequenzen erst nach dem LS-Ausgang erfolgt, fließt über die Weiche
die gesamte Ausgangsleistung, das erfordert dementsprechende Dimensionen der
Filterbauteile.
Die Widerstände und Spulen erwärmen sich, was eine Verlustleistung nach sich zieht, die von
der Endstufe zusätzlich aufgebracht werden muss.
Darüber hinaus verändern sich durch Erwärmung die Widerstandswerte der Bauelemente,
temperaturabhängige Trennfrequenzen sind die Folge.
Während des Betriebes kommt es zwischen den Schwingspulen der Lautsprecher und den
Spulen und Kondensatoren der Weiche zu frequenzabhängigen Wechselwirkungen.
Bei der Dimensionierung der Weiche muss man also auch an die elektrischen Eigenschaften
der Lautsprecher denken, da diese sich mit auf die Trennfrequenzen der Filter auswirken.
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Der jeweilige Hersteller passt seine verwendeten Weichen und die Lautsprecher deshalb so
weit wie möglich einander an. Um gravierende Veränderungen in der Abstimmung aus dem
Weg zugehen, sollte man bei einem Austausch tunlichst vermeiden etwas anderes einzubauen,
als den zuvor verwendeten Lautsprechertyp.
Ein weiterer kritischer Punkt ist die Flankensteilheit bei den Übergangsfrequenzen, sie ist oft
nicht ausreichend.
Wie bekannt, ist als Minimum ein Wert von 12 dB/Oktave anzusetzen.

Für eine Dreiweg-Weiche mit einem zusätzlichen Bandpassfilter für den Mittenbereich
bedeutet dies schon einen recht beträchtlichen Bauteileaufwand der die entsprechenden
Verluste nach sich zieht. Somit wird ersichtlich dass mit passiven Weichen keine sehr präzise
Filterung zu erreichen ist., zu viele negative Einflüsse verhindern eine genaue Justage der
Trennfrequenzen.
Schutzschaltungen
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Da die Hochtöner nur einige wenige Watt Leistung vertragen, welche bei einer Rückkopplung
oder einem obertonreichen Keyboardsound sehr schnell erreicht und überschritten sein
können, bieten manche Passivweichen Schutzschaltungen an um die empfindlichen
Schwingspulen der Hochtöner zu beschützen.
Die einfachste aller Möglichkeiten besteht darin, dem Hochtöner eine 24 V-Soffitte, also ein
Glühbirnchen (aus dem LKW-Zubehör) vorzuschalten. Der Widerstand einer solchen
Glühbirne ist stark temperaturabhängig. Fließt plötzlich zuviel Leistung auf den Hochtöner,
erwärmt sich der Wolframdraht der Glühbirne und somit erhöht sich der Widerstand,
das nennt man einen positiven Temperaturkoeffizienten, dadurch verringert sich der
Stromfluss und es vermindert sich die Leistung.
Im Extremfall brennt die Birne durch und trennt den Hochtöner völlig ab.
Allerdings bietet dieses pfiffig anmutende System keine völlige Sicherheit.
Da die Widerstandsänderung erst mit einer gewissen Trägheit zum tragen kommt, kann allein
diese vermeintlich unwesentliche Verzögerung dazu führen, das trotzdem nur noch das
Ableben des Hochtöners festzustellen ist.
Auch unterliegen Glühbirnchen zum Teil erheblichen Fertigungstoleranzen.
Und da eine Glühbirne ein ohmscher Widerstand ist, die aber auch eine Wicklung enthält, was
wiederum Induktivität nach sich zieht, könnte eine Austauschbirne, die nicht exakt die
gleichen Werte hat, die Trennfrequenz der Weiche verändern. Damit könnte man aber noch
leben, schlimmer ist es, wenn die Toleranz der Birne zu groß ist, das könnte dazu führen, das
die Hochtöner vor der Birne den Dienst quittieren, sich die Verhältnisse also umkehren.
Dann hat man nur noch ein leuchtendes Boxengehäuse. ☺
Mit Hilfe eines Relais kann man hingegen kurzzeitig Lastwiderstände vorschalten oder den
Hochtöner ganz abschalten, wenn Überlast ansteht. Eine elektronische Überlastkennung
würde bei Bedarf aktiviert und somit reagieren. Es muss allerdings eine separate
Betriebsspannung vorhanden sein, daher haben Hersteller einen Weg gefunden aus der
Signalspannung der Lautsprecher die passende Betriebsspannung zu gewinnen, diese
Schaltungen arbeiten absolut wartungsfrei.
Aktive Frequenzweichen
..... werden im Gegensatz zu den passiven Weichen, die in der Box integriert
zwischen Endstufe und Lautsprecher geschaltet sind,

als externes Modul zwischen Mischpult und Endstufe geschaltet.
Das hat den Vorteil das sie nur die relativ schwachen Signalströme aus dem Mischpult
verarbeiten müssen. Eine Signalanpassung ist dadurch wesentlich unproblematischer, was
z.B. die Angabe von Belastbarkeit und Impedanz überflüssig macht.
Aufbau:
Aktive Weichen benutzen im Prinzip die gleichen Filterstrukturen wie passive Weichen, es
werden nach wie vor Hoch-Tief- und Bandpässe verbaut. Die Filter sind nun aber mit
Verstärkern gekoppelt, wodurch Signalverluste ausgeglichen und die vollständige
Entkopplung von Signalaus- und Eingang gesichert ist. Unerwünschte Wechselwirkungen
zwischen Quelle und Verbraucher sind nun nicht mehr möglich. Es lassen sich die
Trennfrequenzen und Ausgangspegel für jeden Weg separat einstellen, eine aktive Weiche
kann also individuell auf das angeschlossene Boxensystem abgestimmt werden. Durch das
Verändern der einzelnen Ausgangspegel kann schon mal eine grobe Voreinstellung des
Klanges vorgenommen werden. Da außerdem nur Line-Pegel anliegen, entstehen so gut wie
keine Leistungsverluste und keine Erwärmung der Bauteile. Das ermöglichte eine hohe
Stabilität der Trennfrequenzen da sie nicht durch den positiven Temperaturkoeffizienten
beeinflusst werden kann ( Bei Erwärmung steigt der Widerstand an) Und zu guter Letzt kann
man das Phasenverhalten aktiver Filter in den Übergangsbereichen elektronisch korrigieren,
was sich positiv auf das Klangbild auswirkt.
Ihre Flankensteilheit liegt von vorneherein in den günstigeren Höhe von 18 dB oder
24 dB/Oktave.
Durch die bereits erwähnten Filterschaltungen Butterworth, Bessel und Linkwitz-Riley
lassen sich diese hohen Flankensteilheiten ohne Phasenverschiebungen realisieren. Die
Trennfrequenzen sind bei den aktiven Weichen in einem bestimmten Bereich frei wählbar.
Bei Modellen mit Steckplatinen ist dies durch Austausch problemlos möglich. Bei
verschiedenen Modellen lassen sich Trennfrequenzen auch noch einfacher mit Hilfe von
Reglern wählen. Und für jeden Bereich sind auch die Pegel regelbar.
Bei aktiven Frequenzweichen muss erst mal für jeden Bereich eine eigene Endstufe zur
Verfügung stehen, welche die Verstärkung der Ausgangssignale übernimmt. Bei einigen
Modellen ist außer der Frequenzteilung auch noch für jeden Frequenzbereich der Schutz vor
Übersteuerung und Beschädigung der Endstufen und Lautsprechersysteme möglich, dieser
wird durch Kompressoren/Limiter geboten. Wichtig dabei ist, dass die eingebauten
Regelverstärker unhörbar arbeiten. Das ist nicht bei allen angebotenen Modellen der Fall und
wenn sich nicht alle Parameter (Attackzeit, Threshold und Releasezeit) regeln lassen.
Um Phasendrehungen im Hochtonbereich zu verhindern, sind viele aktive Frequenzweichen
mit einem Phasenumkehrschalter ausgestattet, der die Phase im Hochtonbereich um 180°
drehen kann. Außerdem verfügen viele Modelle über einen Baßabschwächer (Bass/Low Cut)
der tiefe Frequenzen unter 30 Hz im Störbereich rausfiltert.
Für die Verwendung mit erdfreien symmetrischen Mischpultausgängen und
Endstufeneingängen müssen diese auch in der Frequenzweiche vorhanden sein.
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Vorteile der aktiven Frequenzweiche
1. Die einzelnen Lautsprechersysteme bekommen angemessene Leistung geschickt.
2. Die Hochtöner sind geschützt.
3. Der Lautstärkeabgleich der einzelnen Frequenzen ist besser.
4. Bei großen Anlagen sind die Kosten vorteilhafter verteilt.
Da die unterschiedlichen Frequenzen auch jeweils andere Leistungen beanspruchen, kann mit
der aktiven Trennung auch jedem Bereich die angemessene Energie zugeführt werden.
Immerhin benötigt der Bass die doppelte Leistung gegenüber dem Mittenbereich und im
Verhältnis zum Hochtöner sogar viermal soviel.
Somit ist die Leistung besser ausgenutzt, da sie nach Bedarf verteilt wird und die Gefahr das
unzulässige Leistung an die Hochtöner gerät gebannt, was die Gefahr von Übersteuerung,
Beschädigung oder Zerstörung ausschließt.
Man kann über die aktive Weiche auf jede Frequenz zugreifen und ohne Einsatz von
Klangregelungen die Lautstärke anzuheben oder absenken, was die Kontrolle vereinfacht.
Der Kostenvorteil bei großen Anlagen liegt in der einmaligen Anschaffung einer aktiven
Weiche, da das gesamte System unabhängig von Anzahl der Endstufen und Lautsprecher
gesteuert und aufgetrennt werden kann.
Bei der passiven Trennung sind aufgrund der Belastbarkeit und der Impedanzanpassung auch
mehr Frequenzweichen nötig, was die Kosten natürlich erhöht.
Das nächste Referat wird aufgrund schulischer Anforderung über Effektgeräte sein!
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