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  1. #1
    Erfahrener Benutzer
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    Standard Gruppenlaufzeit, Phase, Allpass und Delay

    Moin zusammen!
    Fosti hatte es in einem anderen Beitrag bereits angeschnitten, das Thema GLZ.
    Als Laie bin ich überfordert wie die Zusammenhänge sind. Vor allem die Mathematik dahinter fehlt mir.
    Vielleicht kann man die Themen hier einmal bündeln?
    Das erste was ich zum Thema gefunden habe, was mich weiter bringt, war das hier:
    "Hifi-Apps▸ Gruppenlaufzeit, Phase und Delay" http://www.gaussoftware.de/hifi-apps/glz.htm

    Gruß
    Arnim
    Es scheint die Menge der Intelligenz ist begrenzt. Je mehr Menschen da sind, desto weniger bleibt für den Einzelnen.

  2. #2
    Und so beginnt es... Benutzerbild von FoLLgoTT
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    Standard

    Gibt es denn eine konkrete Frage zu dem Thema?

  3. #3
    Vollaktiv per DSP Benutzerbild von Slaughthammer
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    Standard

    Ein bisschen was tun Thema hatte ich Mal festgehalten: https://www.diy-hifi-forum.eu/forum/...(nicht)-behebt

    Gruß, Onno
    wissen ist macht. nicht wissen macht auch nichts.

  4. #4
    Und so beginnt es... Benutzerbild von FoLLgoTT
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    Zitat Zitat von Slaughthammer Beitrag anzeigen
    Ein bisschen was tun Thema hatte ich Mal festgehalten: https://www.diy-hifi-forum.eu/forum/...(nicht)-behebt
    Sehr schön!

    Ich hatte hier auch mal etwas zusammengeschrieben. Da geht es um eine saubere Addition der Zweige bei Vielwegern mit und ohne FIR-Filtern.

    Filterfunktion bei Mehrwegern
    Geändert von FoLLgoTT (13.01.2021 um 11:13 Uhr)

  5. #5
    Chef Benutzer Benutzerbild von fosti
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    Hier gibt es auch noch was dazu: Erläuterung der Messkurven
    Wie heißen die, die so schlecht Flöte spielen dass sich selbst die Schlangen senkrecht hinstellen?
    Zitat Heinz Becker

  6. #6
    Chef Benutzer Benutzerbild von Azrael
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    Standard

    Ich habe das bisher immer so gesehen, dass man zwei Dinge auseinander halten muss. Bremst mich, wenn das Bullshit ist :

    Gruppenlaufzeit ist eine Art über die Frequenz variables Delay. Die Verzögerungen sind direkt abhängig von den als Filterfunktionen interpretierbaren Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang.

    Entzerrt werden kann das nur mittels quasi vorauseilender Filter, also mit FIR-Filtern, dieses "Vorauseilen" sorgt dann für die Latenz, für die FIR-Filter bekannt sind.

    Dann gibt es noch die Situation, dass eine Trennung zweier Wege eines Mehrwegelautsprechers timingmäßig nicht zueinander zu bringen ist. Dem kann theoretisch mit Verschiebungen der SEOs der Treiber begegnet werden, was aber, falls das nicht elektronisch via Delay gemacht wird, wieder andere praktishe Schwierigkeiten mit sich bringt (Reflexionen an Gehäusekanten z.B.).

    Es krankt vielleicht auch daran, das nicht ganz klar ist, was genau mit "Zeitrichtigkeit" eigentlich gemeint ist.

    Viele Grüße,
    Michael

  7. #7
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    Hallo Michael

    Das ist so korrekt.

    Gruss

    Charles

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Benutzerbild von Darakon
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    Standard

    Spannendes Thema.
    Das, was Onno in dem Thread (https://www.diy-hifi-forum.eu/forum/...nicht)-behebt) gezeigt hat, hatte mir schon damals gut gefallen.

    Was ich bisher gemacht habe, um das Thema 'Zeit', 'Phase' und 'Gruppenlaufzeit' bei meinen Entwicklungen in den Griff zu bekommen:

    1. Zeitliche / räumliche Anpassung der Schallquellen (Treiber)
    Der Abstand vom Hörplatz zu allen Schallquellen (Chassis) sollte gleich groß sein.
    Da das häufig nicht möglich ist, ist Anpassung der einzelnen Treiber über 'Delay' in der DSP notwendig.
    Ohne DSP ist es nur konstruktiv zu lösen (wie es zB Troel Gravesen versucht)

    Heißt natürlich auch, dass (besonders für ein Merhwegesystem) sämtliche Zeit und Phasekorrekturen nur für eine bestimmte Hör- bzw Messposition im Raum gemacht werden können.


    2. Phase
    Wenn ich das richtig verstanden habe (bitte korrigiert mich), ist die Phase die Ableitung der Frequenz.
    Heißt: ein fallender oder steigender Frequenzgang sorgt für Änderung in der Phasenlage.

    Daher tritt sogar bei einem Breitbandlautsprecher eine Phasen-Verschiebung auf, da auch ein Breitbänder nur einen eingegrenzten Wirkungsbereich hat (zB. 70Hz bis 20 kHz) an dessen Rändern die Frequenzgänge abfallen (und auch zwischendrin nicht ganz linear sind).
    Allerdings hat ein Breitbänder dadurch immer noch einen recht stetigen Phasenverlauf ohne größere Sprünge.

    Ein klassischer Filter oder Frequenzweiche sorgt natürlich für einen starke Frequenzändern und somit auch einen "Sprung" in der Phase.
    Im schlimmsten Fall passen Hoch und Tief-Pass-Filter zweier Treiber nicht gut zusammen, was das 'Problem' verstärkt.

    Wenn zB die Phasen der Frequenz 1000 Hz und 2000 Hz nicht perfekt übereinanderliegen, macht sich das in der Sprungantwort bemerkbar, wie Onno es beschrieben hat. Die Wellenspitzen sind leicht versetzt zu einander. Dadurch sieht die Impulsantwort 'seltsam' aus und bekommt weitere Buckel.
    Kann meiner Ansicht nach tatsächlich auf den Klang eines Lautsprechers haben, zB auf die häufig strapazierte 'Räumlichkeit' (falls Unsinn, bitte um Korrektur)

    Zusammengefasst: Ursachen für Phasenverschiebung
    • 'Natürlicher' Frequenzverlauf des Chassis und die natürliche obere und untere Frequenzabfall des Chassis
    • IIR EQs bzw Frequenzweichen
    • Der unter 1. genannte räumliche und somit zeitliche Versatz der Chassis


    Maßnahmen zur Phasenkorrektur:
    • Chassis so weit möglich in ihrem 'lineraren' Frequenzbereich arbeiten lassen bzw linearisieren.
    • Räumlicher Chassi-Versatz über Delay korrigieren
    • wie von Onno beschrieben FIR-Filter (wieder nur mit DSP möglich) nutzen, um die Phasenverschiebung im X-over-Bereich (und ggf auch an den Übertragungsgrenzen) zu umgehen bzw auszugleichen


    3. Gruppenlaufzeit
    Die Gruppenlaufzeit ist nur ein Resultat der Phasenverschiebung.
    In den höheren Frequenz tritt physikalisch Bedingt meist nur eine sehr geringe Gruppenlaufzeitverzögerung, weil die Wellenlängen kurz sind.
    Also selbst die Verschiebung um 180° (was hoch ist) würde im 2 kHz-Bereich nur zu einer Gruppenlaufeit-Verzögerung von 0,25ms führen (Berechnung: 1s / 2000Hz *(180°/360°) *1000).

    Anders sieht es im Bass aus.
    Bei 70 Hz würde eine Phasenverschiebung von 90° bereits zu 14,2 ms führen (Rechnung: 1s / 70 Hz * (90°/360°)*1000).
    Da der Bass irgendwo unter 100Hz immer abfällt (auch bei dem größten Tieftöner) tritt die Phasenverschiebung auf und es kommt im Bass immer zu einer Erhöhung der Gruppenlaufzeit.
    Verstärkt wird der Effekt durch Bassreflexsysteme oder Filter zur Erweiterung des Tiefgang.

    __________________________________
    Ok, viel (zusammen gesuchtes) Halbwissen.
    Einige persönliche Vorgehensweisen.
    Wissenschaftlich sicherlich nicht korrekt.
    ...ihr dürft es jetzt zerflücken!


    Grüße
    Matthias
    Geändert von Darakon (13.01.2021 um 17:44 Uhr)

  9. #9
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    Hallo Matthias

    Du hast im oberen Teil noch unterschlagen, dass ein Teil der Gruppenlaufzeitverzerrungen von der Frequenzweiche stammt, welche häufig Allpass Charakteristik aufweist.

    Zu den Betrachtungen der Gruppenlaufzeit- und Phasenverzerrungen in Relation zu der Frequenz/Wellenlänge gibt es anzumerken, dass zwar ein Phasenfehler von X Grad bei einer tiefen Frequenz tatsächlich einer längeren Zeit einspricht als bei einer höheren Frequenz aber dass Ein- und Ausschwingvorgänge bei tieferen Frequenzen von Natur aus auch länger dauern.
    Es gibt übrigens leider immer noch keine endgültigen Werte für die Hörbarkeit von Gruppenlaufzeitverzerrungen.

    Verstärkt wird der Effekt durch Bassreflexsysteme oder Filter zur Erweiterung des Tiefgang.
    Das stimmt so zum Teil. Die Gruppenlaufzeit eines Filters steigt mit dessen Ordnung und steigt mit abnehmender Grenzfrequenz. Die Polgüten der beteiligten Filterfunktionen bestimmen zusätzlich den Verlauf (Welligkeit). So verdoppelt sich zwar die Gruppenlaufzeit bei der Grenzfrequenz wenn der Frequenzgang eines LS von z.B. 40 auf 20 Hz gegen unten erweitert wird. Die Gruppenlaufzeitverzerrungen im Oberbass und im tiefen Mittelton werden dafür gleichzeitig niedriger ! Und Instrumente, welche von niedrigen Gruppenlaufzeitverzerrungen profitieren (Perkussion etc) haben ihre untersten Spektralanteile häufig bei >50 Hz.
    Bezüglich Gruppenlaufzeitverhalten haben Methoden wie die Linkwitztransformation bei geschlossenen Gehäusen das günstigste Verhältnis zwischen Aufwand und Ertrag aller Methoden zur Frequenzgangerweiterung.

    Gruss

    Charles

  10. #10
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    Zitat Zitat von phase_accurate Beitrag anzeigen
    Bezüglich Gruppenlaufzeitverhalten haben Methoden wie die Linkwitztransformation bei geschlossenen Gehäusen das günstigste Verhältnis zwischen Aufwand und Ertrag aller Methoden zur Frequenzgangerweiterung.
    Genau. Und das ist auch einer der größten missverstandenen Punkte. Eine tiefe untere Grenzfrequenz senkt die Gruppenlaufzeit im Übertragungsbereich. Das heißt, eine Entzerrung nach unten hin macht den Bass wortwörtlich schneller.

    Weiterhin kann bei einem minimalphasigen System auch die Gruppenlaufzeit linearisiert werden, indem der Amplitudengang linearisiert wird. Eine separierte Resonanz oder Mode wird mit gut passendem, minimalphasigem Kompensationsfilter (IIR) auch zeitlich ausgeglichen. Es hält sich ja vielerorts der Irrglaube, dass nur die Amplitude runtergedrückt wird und die Mode genauso lange abklingt. Das ist nicht so. Auch das Zeitverhalten ist anschließend kompensiert.

  11. #11
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    Zitat Zitat von Darakon Beitrag anzeigen
    ....

    2. Phase
    Wenn ich das richtig verstanden habe (bitte korrigiert mich), ist die Phase die Ableitung der Frequenz.

    3. Gruppenlaufzeit
    Die Gruppenlaufzeit ist nur ein Resultat der Phasenverschiebung.

    ....
    Etwas gerade rücken das Ganze Hier ein paar Zusammenhänge ganz kurz (Habe noch keine Onlineprüfungen gemacht, muss diese aber jetzt vorbereiten, weil alle Präsenzprüfungen bei uns erstmal ausgesetzt sind):

    Grundsätzlich kann man den Zusammenhang von Eingangsgröße zu Ausgangsgröße bei dynamischen Systemen (in unserem Fall Lautsprecher) im Zeit- und Frequenzbereich beschreiben:

    Üblich im Zeitbereich sind:

    1z) Impulsantwort g(t) mit der Eingangsgröße eines hinreichend kurzen Impulses mit bekannter Impulsfläche

    2z) Sprungantwort h(t) mit der Eingangsgröße eines Sprunges mit hinreichender Steilheit und bekannter Höhe

    je kürzer der Impuls bzw. je steiler der Sprunganstieg, desto höher die obere messbare Frequenzgrenze (Metallhammer gegen Glocke oder Gummihammer gegen Glocke)

    der Zusammenhang ist, dass g(t) die zeitliche Ableitung von h(t) ist: g(t) = d_h(t) / d_t

    Üblich im Frequenzbereich ist:

    1f) die komplexwertige Übertragungsfunktion G(j*w) mit j: imaginäre Einheit, w=2*pi*f (Kreisfrequenz w: "omega")

    Nun lässt sich eine komplexwertige Funktion "als Ganzes" nicht so schön zur Interpretation graphisch darstellen. Deshalb "spaltet" man sie auf. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten

    1f1) Realteil von G(j*w) über der Frequenz f UND Imaginärteil über der Frequenz f (bei LS nicht so üblich, manchmal beim Impedanzgang oder wenn man den Strahlungswiderstand darstellen möchte)

    1f2) Betrag von G(j*w) über der Frequenz f (Amplitudenfrequenzgang) UND den Phasenwinkel "phi" von G(j*w) über der Frequenz f (Phasenfrequenzgang) das ist die übliche Darstellung bei LS (heisst auch: Bode-Diagramm)

    1f3) Betrag von G(j*w) über der Frequenz f (Amplitudenfrequenzgang) UND die negative Ableitung des Phasenwinkels von G(j*w) nach der Kreisfrequenz w ( GLZ = - d_phi / d_w ) über der Frequenz f (DAS ist die Gruppenlaufzeit GLZ)

    1f4) Amplitude über Frequenz und der Zeit: Ausschwing- oder Abklingdiagramm oder auf Englisch Cumulative-Spectral-Decay (CSD)

    ALLE sind einander gleichwertig und ineinander verlustlos(!) umrechenbar!!!

    Dabei sind die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Zeit- und Frequenzbereich

    G(j*w) die Laplace-Transformierte von g(t)

    und umgekehrt

    g(t) die inverse Laplace-Transformierte von G(j*w)

    Viele Grüße,
    Christoph

    EDIT: obige Zusammenhänge gelten natürlich auch für jedes Filter oder allgemein jedes dynamische System
    Geändert von fosti (13.01.2021 um 15:47 Uhr)
    Wie heißen die, die so schlecht Flöte spielen dass sich selbst die Schlangen senkrecht hinstellen?
    Zitat Heinz Becker

  12. #12
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    Hallo Christoph,

    danke fürs Geraderücken!

    Das habe ich befürchtet. Jetzt ist zwar wissenschaftlich richtig(er), aber ich vesteh's nicht mehr.
    ... und das obwohl ich mal sowas studiert habe. Ich werd versuchen es nachzuvollziehen und frag dann ggf. noch mal nach.

    Grüße
    Matthias
    Geändert von Darakon (13.01.2021 um 16:37 Uhr)

  13. #13
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    Zitat Zitat von FoLLgoTT Beitrag anzeigen
    Weiterhin kann bei einem minimalphasigen System auch die Gruppenlaufzeit linearisiert werden, indem der Amplitudengang linearisiert wird. Eine separierte Resonanz oder Mode wird mit gut passendem, minimalphasigem Kompensationsfilter (IIR) auch zeitlich ausgeglichen. Es hält sich ja vielerorts der Irrglaube, dass nur die Amplitude runtergedrückt wird und die Mode genauso lange abklingt. Das ist nicht so. Auch das Zeitverhalten ist anschließend kompensiert.
    Hallo Nils,

    das ist ein guter Punkt!
    Ich bin gerade dabei die Bass-Gruppenlaufzeit und im nächsten Schritt die Raummoden mit IIR-filtern anzugehen.
    Kann ich IIR-Filter im Bass bedenkenlos einsetzen oder handele ich mir dadurch irgendwelche andere Probleme ein? (außer ggf eine höhere Latenz)

    Ich frage, weil in meiner Recording - und Mixing Zeit von linear-Phase-Filtern im Bass stark abgeraten worden ist, da es zu 'ringing' führt.
    https://www.masteringthemix.com/blogs/learn/what-eq-filter-is-best-for-bass-and-low-end
    https://www.gearslutz.com/board/mastering-forum/782708-linear-phase-quot-pre-ringing-quot-audio-examples.html

    Oder bin ich auf dem Holzweg und es hat gar nicht miteinander zu tun?

    Die Kompensation des Zeitverhaltens bezieht sich dann aber auch nur auf die Messposition im Raum, oder?

    grüße
    Matthias
    Geändert von Darakon (13.01.2021 um 16:37 Uhr)

  14. #14
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    Zitat Zitat von FoLLgoTT Beitrag anzeigen
    Eine separierte Resonanz oder Mode wird mit gut passendem, minimalphasigem Kompensationsfilter (IIR) auch zeitlich ausgeglichen. Es hält sich ja vielerorts der Irrglaube, dass nur die Amplitude runtergedrückt wird und die Mode genauso lange abklingt. Das ist nicht so. Auch das Zeitverhalten ist anschließend kompensiert.
    Wodurch, wenn man fragen darf, siehst du diese Behauptung bestätigt? Mal tatsächlich in der Praxis probiert und nachgemessen?

  15. #15
    Chef Benutzer Benutzerbild von fosti
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    Zitat Zitat von Darakon Beitrag anzeigen
    ....
    Das habe ich befürchtet. Jetzt ist zwar wissenschaftlich richtig(er), aber ich vesteh's nicht mehr.
    .....
    Ach Quatsch......wenn ich die Tage mal wieder keinen Bock auf Prüfungen habe, setze ich zu dem Text da oben mal ein paar passende Bilder rein!
    Wie heißen die, die so schlecht Flöte spielen dass sich selbst die Schlangen senkrecht hinstellen?
    Zitat Heinz Becker

  16. #16
    Chef Benutzer Benutzerbild von Azrael
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    Zitat Zitat von stoneeh Beitrag anzeigen
    Wodurch, wenn man fragen darf, siehst du diese Behauptung bestätigt? Mal tatsächlich in der Praxis probiert und nachgemessen?
    Ich erinnere mich dunkel: hat er. Dazu hatte er seinerzeit auch ein PDF veröffentlicht.

    Ich glaube, das war dieses Dokument hier, so ab Seite 15.

    Viele Grüße,
    Michael

  17. #17
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    Zitat Zitat von Darakon Beitrag anzeigen
    Ich bin gerade dabei die Bass-Gruppenlaufzeit und im nächsten Schritt die Raummoden mit IIR-filtern anzugehen.
    Kann ich IIR-Filter im Bass bedenkenlos einsetzen oder handele ich mir dadurch irgendwelche andere Probleme ein? (außer ggf eine höhere Latenz)
    Naja, gut funktioniert das nur bei separierten Moden. Wenn das nicht gegeben ist (also starke Überlappung), wird man das lange Abklingen nicht wirklich in den Griff kriegen. Dann geht es nur mit mehreren Subwoofern (z.B. DBA) oder großen Absorbern.

    Ich frage, weil in meiner Recording - und Mixing Zeit von linear-Phase-Filtern im Bass stark abgeraten worden ist, da es zu 'ringing' führt.
    FIR-Filter erzeugen Preringing, das ist richtig. Ich hatte mal einen Selbstversuch gemacht und konnte es erst bei Steilheiten von mehreren Hundert dB/Okt hören (Trennung im Mittelton). Seitdem mache ich mir bis 100 dB/Okt keine Gedanken mehr.

    Die Kompensation des Zeitverhaltens bezieht sich dann aber auch nur auf die Messposition im Raum, oder?
    Genau. Es kommt aber auch auf die Subwooferanordnung an. Bei einem SBA (ebene Welle) funktioniert das sogar in einer ganzen Ebene (also einer Sitzreihe).

    Zitat Zitat von stoneeh Beitrag anzeigen
    Wodurch, wenn man fragen darf, siehst du diese Behauptung bestätigt? Mal tatsächlich in der Praxis probiert und nachgemessen?
    Ja, gemessen an einem bedämpften SBA. Michael hat es ja hier verlinkt:

    Zitat Zitat von Azrael Beitrag anzeigen
    Ich glaube, das war dieses Dokument hier, so ab Seite 15.
    Zusätzlich habe ich das in VACS noch mit diversen Signalen überprüft.

    PS: selbst Linkwitz hat schon bei seiner Linkwitz-Transformation gezeigt, dass der Zeitbereich verbessert wird. Ist dasselbe Prinzip.

  18. #18
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    Zitat Zitat von FoLLgoTT Beitrag anzeigen
    Ja, gemessen an einem bedämpften SBA. Michael hat es ja hier verlinkt:

    Zusätzlich habe ich das in VACS noch mit diversen Signalen überprüft.

    PS: selbst Linkwitz hat schon bei seiner Linkwitz-Transformation gezeigt, dass der Zeitbereich verbessert wird. Ist dasselbe Prinzip.
    Interesant. In der Aufarbeitung (PDF) sieht man aber tatsächlich nur, dass das die Resonanz in der Amplitude abgeschwächt wird, das längere nachschwingen aber noch vorhanden ist.
    Der charakteristische Höcker wird durch den PEQ halt nach unten verschoben. Wenn du die Skala nach unten erweitern würdest, würde er sich wieder in voller Pracht zeigen

    Ich hab mal messtechnisch verglichen, wie sich eine Gehäuse(Lambda/2)Resonanz durch PEQ vs Dämmmaterial beheben lässt. Um den Höcker im Wasserfall komplett wegzukriegen, war ein starker Notch Filter vonnöten, der die entsprechende Lücke im Frequenzgang hinterlassen hat. Die Variante mit Dämmmaterial hat sowohl das nachschwingen im Wasserfalldiagramm beseitigt, als auch in einem geraden Frequenzgang resultiert.
    Das hat für mich schon ziemlich eindeutig illustriert, wie effektiv (nicht) man Resonanzen mit PEQ bekämpfen kann, und wo man zuerst ansetzen sollte - Bekämpfung der Ursache via raumakustischen Massnahmen, oder bekämpfen der Symptome im Controller.

  19. #19
    Und so beginnt es... Benutzerbild von FoLLgoTT
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    Zitat Zitat von stoneeh Beitrag anzeigen
    Interesant. In der Aufarbeitung (PDF) sieht man aber tatsächlich nur, dass das die Resonanz in der Amplitude abgeschwächt wird, das längere nachschwingen aber noch vorhanden ist.
    Der charakteristische Höcker wird durch den PEQ halt nach unten verschoben. Wenn du die Skala nach unten erweitern würdest, würde er sich wieder in voller Pracht zeigen
    Nein. Und das ist genau die Antwort, die immer kommt.

    Daher hier das pro Frequenz auf die höchste Amplitude normierte Abklingspektrum (gab es damals in REW noch nicht). Das lässt keine Zweifel mehr.

    Ohne Equalizer:
    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	spektrogramm 4m ohne (normiert).png
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ID:	58363

    Mit Equalizer:
    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	spektrogramm 4m equalizer (normiert).png
Hits:	27
Größe:	654,3 KB
ID:	58364

    Im Übrigen kann man das auch mit zwei IIR-PEQs zeigen. Einer erhöht, schwingt nach (Resonanz) und ein anderer senkt mit derselben Güte ab. Beide gleichen sich aus.

  20. #20
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    Standard

    Auch hier sieht man ein verbleibendes nachschwingen, nur halt ein leises. Ich weiss nicht was das beweisen soll.


    Hier exemplarisch das Wasserfalldiagramm einer 90cm hohen Lautsprecherbox. Bei knapp 200 und 400 Hz sehen wir die Lambda/2 und /4 Resonanzen.

    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	02.png
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ID:	58365

    Dieses schmalbandige lange nachschwingen ohne dazugehörige Erhöhung im Frequenzgang kannst du nicht mit einem PEQ nachbilden, und somit kannst du kein passendes Gegenstück zum eliminieren der Resonanz erstellen. Case closed. Weiter verkomplizieren muss man es nicht.

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