Bandpassgefilterter Bandpass

[pulsar99]

Hallo,

im Zuge der Weiterentwicklung meiner Intus SE habe ich eine neue Schaltungsvariante verwirklicht: den Bandpassgefilterten Bandpass, den ich euch hier erläutern möchte.

Die Idee

Ein (einseitig ventiliertes) Bandpassgehäuse besteht aus einer geschlossenen und einer ventilierten Kammer, der Treiber sitzt auf dem Trennbrett zwischen den Kammern. Die Schallabstrahlung erfolgt also ausschließlich über den Reflexkanal.



Eine solche Konstruktion hat, wie der Name schon sagt, eine Bandpasscharakteristik des Frequenzgangs mit definierter unterer und oberer Grenzfrequenz und Bandbreite. Die Flankensteilheit beträgt 12dB/Oktave – theoretisch. Denn während die Filterflanke bei der unteren Grenzfrequenz normalerweise sehr sauber verläuft, mogeln sich an der oberen Grenzfrequenz auch einige Mitteltonanteile aus dem Reflexkanal: die Längsresonanz des Kanals selbst, aber auch Stehwellen im Gehäuse werden hörbar nach außen geleitet. Das Problem: um das zu verhindern braucht es bei passiver Frequenzweiche einen Tiefpass mit wenigstens 12dB/Okt., also Spule + Kondensator, und damit der funktioniert zumeist auch eine zusätzliche Impedanzentzerrung, also nochmal Spule + Kondensator + evtl. Widerstand, ergo ein ziemlicher Bauteilaufwand.
Meine Idee: Ich habe stattdessen einen elektrischen Bandpass, also eine Reihenschaltung aus Spule und Kondensator, vorgeschaltet. Dieser hat ebenfalls eine Flankensteilheit von 12dB/Okt. Und hat bei geschickter Auslegung sogar eine positive Wirkung auf den Frequenzgang! Wie so was aussieht? Das möchte ich euch hier zeigen.

Zwei Anmerkungen vorweg: die verwendeten Formeln sind alle so gestaltet dass man gleich Werte in gängigen Einheiten einsetzt, also Liter, Hz, cm, mH, µF usw.. Und die Beispielrechnungen und -simulationen beziehen sich auf den Visaton W170S 8 Ohm, den ich in den Intus verbaut habe: fs 36Hz, Vas 38l, Qts 0,52


Das Bandpassgehäuse

Hier beziehe ich mich auf Bernd Timmermanns, der in der HobbyHifi 1/2003 einen ausführlichen Artikel darüber veröffentlicht hat.

Das geschlossene Volumen Vg: dieses bestimmt sich aus dem Vas des Treibers und dessen Resonanzfrequenz fs sowie der gewünschten Abstimmfrequenz des Bandpass fb, welche größer als fs sein muss:

Vg= fs²/(fb²-fs²)*Vas

bei einer gewünschten Abstimmfrequenz von 65Hz ergibt sich für den W170S:

Vg=36²/(65²-36²)*38=16,8l

Hier zum Vergleich die Abstimmungen fb 65Hz (schwarz, 17l), fb 60Hz (rot, 21l), fb 55Hz (grün, 28l), jeweils q 0,7: mit fallender Abstimmfrequenz sinkt bei konstantem q auch der Pegel.



Das ventilierte Volumen Vv: dieses bestimmt sich aus dem Vas und dem Qts des Treibers sowie der gewünschten Güte des Bandpass q:

Vv=Qts²/q²*Vas

für ein gewünschtes q von 0,9 ergibt sich für den W170S:

Vv=0,52²/0,9²*38=13l

je kleiner die Güte q ist desto größer ist das ventilierte Volumen. q beeinflusst den Frequenzgang des Bandpass, hier zum Vergleich die Abstimmungen q 0,7 (schwarz, 21l), q 0,9 (rot, 13l) und q 1,1 (grün, 8,5l), jeweils fb 65Hz: oberhalb von q 0,7 bilden sich „Kamelhöcker“ aus, Abstimmungen unterhalb q 0,7 bringen zwar mehr Pegel, dafür geht Tiefbass verloren.



Der Reflexkanal: die bekannte Formel für den Reflexkanal ist:

l=29830*Af/(fb²*Vv)-√(π*Af)/2

wobei die Kanalfläche Af mindestens 1/4, besser 1/3 der Membranfläche Sd des verwendeten Treibers betragen sollte.


Der elektrische Bandpass

Wie oben schon geschrieben besteht ein elektrischer Bandpass 1.Ordnung aus der Reihenschaltung einer Spule L und eines Kondensators C. Die Abstimmfrequenz berechnet sich mit der Formel:

f=5033/√(L*C)

Das Problem: diese Formel liefert keine absoluten Werte für L und C, sondern nur für das Produkt L*C, d.h. ein Bandpass aus 1mH und 100µF hat die gleiche Abstimmfrequenz wie einer aus 10mH und 10µF, lediglich das Übertragungsverhalten ändert sich. Ich habe in Simulationen festgestellt dass die besten Ergebnisse herauskommen wenn das Verhältnis L:C um 1:75 (bei 8 Ohm) bzw. 1:300 (bei 4 Ohm) liegt. Die Abstimmfrequenz wird dann genau auf die Resonanzfrequenz des Bandpassgehäuses eingestellt. Mit diesem Wert ergibt sich aus obiger Formel:

L=580/fb (für 8 Ohm)
L=290/fb (für 4 Ohm)

Für eine gewünschte Abstimmfrequenz von 65Hz ergibt sich dann für den W170S:

L=580/65=8,92mH

Die nächsten Werte aus der Normreihe wären 8,2mH und 10mH. Der Kondensatorwert errechnet sich dann aus:

C=5033²/(fb²*L)

für 8,2mH ergibt das 730µF, für 10mH 600µF. Passende Werte bekommt man durch Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren hin, wobei kleine Abweichungen unkritisch sind.

Hier jetzt das Ergebnis der Simulation, um aufzuzeigen, was der ganze Aufwand bringt:
das Bandpassgehäuse mit fb 65Hz und q 0,9 ohne elektrischen Bandpass (schwarz) und mit elektrischem Bandpass (rot, L 8,2mH 0,3Ώ, C 730µF):



durch die vorgeschaltete Weiche ergibt sich aus der ursprünglichen Kamelhöcker-Abstimmung eine glatte Kurve mit einem Schalldruckgewinn bei der unteren wie auch bei der oberen Grenzfrequenz, einen Subsonicfilter im Subbass und eine deutliche Pegelabsenkung der unerwünschten Mitteltonanteile!

wie funktioniert`s?

Die Funktion ist mit einer Wechselwirkung des elektrischen Bandpass mit dem Impedanzverlauf zu erklären. Ich versuche mal, anhand der Impedanzkurve die Funktion Schritt für Schritt aufzuzeigen, sozusagen von links nach rechts (schwarz ohne, rot mit elektrischem Bandpass):



unterhalb des ersten Impedanzhöckes (um 35Hz) zeigt die Impedanzkurve ein induktives Verhalten, der vorgeschaltete Kondensator verringert durch Wechselwirkung die Impedanz, der Verstärker kann mehr Leistung liefern -> der Schalldruck steigt.
oberhalb des ersten Impedanzhöckers (um 50Hz) zeigt die Kurve kapazitives Verhalten, hier sorgt der Kondensator für eine Impedanzerhöhung, weniger Leistung -> weniger Schalldruck.
So weit kennt man das ja von GHP-Konstruktionen, wo der Kondensator bei einem zu klein abgestimmten geschlossenen Gehäuse den Frequenzgang linearisiert. Hier gehts jetzt aber noch weiter:
unterhalb des zweiten Impedanzhöckers (um 90Hz) zeigt die Impedanzkurve wieder induktives Verhalten. Hier erhöht nun die Spule die Impedanz, der Verstärker liefert weniger Leistung -> der Schalldruck sinkt.
oberhalb des zweiten Impedanzhöckers (um 130Hz) schliesslich zeigt die Kurve wieder kapazitives Verhalten, hier sorgt die Spule durch Wechselwirkung für eine Verringerung der Impedanz, mehr Leistung -> der Schalldruck steigt.

Der reale Lautsprecher

Mit diesen Simulationsergebnissen habe ich dann meine Intus SE entsprechend nachgerüstet. Hier das Simulationsergebnis mit Vg 17l, Vv 12,5l, Fb 65Hz und 10mH 0,8Ώ (Visaton FC-Spule) sowie 620µF (470+150 parallel). Reflexrohr ist das Visaton BR 15.34 und bei der Simulation habe ich auch die Gehäuseinnenmaße berücksichtigt, schwarz ohne, rot mit elektrischem Bandpass:



und hier die Nahfeldmessungen mit Arta, diesmal umgekehrt: rot ohne, schwarz mit elektrischem Bandpass.



und zum Abschluss nochmal die gleiche Messung, allerdings habe ich hier den Pegel angeglichen um den Effekt deutlicher zu machen.



Zusammengefasst also eine elegante Möglichkeit, aus einem Bandpassgehäuse mit kompakten Abmessungen einen ausgeglichenen Frequenzgang zu bekommen, mit eingebautem Schutz vor tieffrequenten Störungen und guter Unterdrückung der höherfrequenten Anteile.

Grüße Ralf

[tiefton]

Hallo Ralf,
das liest sich gut, misst sich gut, ist schlüssig und ist eine Überlegung wert!
Danke Dir für die ganzen Infos!
Hast Du auch mal das Impulsverhalten / Sprungantwort gemessen bzw. verglichen?
Ich denke mir, man müsste den Effekt der elektrischen Schaltung in irgendeiner Weise erkennen können, würde mich interessieren.

Wie schneidet es klanglich bei Dir im Vergleich ab?

[Kripston]

Hallo,
schöne Dokumentation...
So etwas habe ich mir vor viiiielen Jahren auch mal mit dem W300 S gebaut, allerdings nur nach Audiocad-Simulation (damals hatte ich noch kein Messsystem).
Da ich das Gehäuse und den Treiber noch habe, könnte ich, vorausgesetzt, ich finde die Weichenbauteilewerte noch, das auch noch mal messen.....

Gruß
Peter Krips

[zeppi]

Hi!

Die meisten Subwoofer eines grauhaarigen Herrn aus Bochum funktionieren nach genau diesem Prinzip: http://www.lautsprecherbau.de/Magazi...36,de,90893,98

Udo hat das, wie ich finde auch sehr gut in den Grundlagen und dann noch mal bei der FT6 und FT10 erklärt.

http://www.lautsprecherbau.de/Grundl...earten/8612,de

Gruß

zeppi

[Karsten]

Hallöle

Super Doku.

Wenn ich das Ganze richtig überflogen habe,sind die beiden Vorteile
-glatterer FG
-wenieger Schweinereien aus dem "Rohr"

Erkauft mit
-geringeren Wirkungsgrad
-höheren Preis (Spule/Kondens.)

Der verbessert Frequenzgang sind hier grob 2 dB.In dem Bereich machen der Raum und die Aufstellung doch solche Unterschiede,das eine Differenz von 2 dB bei den Frequenzen nicht wirklich etwas ausmachen sollten.Oder?
Also bleibt in der Praxis hauptsächlich die geringeren Mitteltonsauereien übrig.

Ist also recht viel Aufwand dafür.
Zumal die kosten für ne vernünftiege Spule ja auch nicht ganz ohne ist.

Falls man die Sachen liegen hat ist das bestimmt ne interesante Möglichkeit der Umsetzung.Aber extra einen Sub so zu konstruieren erscheint mir wenig sinnvoll.
Korigiert mich bitte ggf.

[waterburn]

Die Idee den TT in ein Bandpass Gehäuse einzubauen hatte ich auch schon mal vor ner Weile. Bin dann im Rahmen meiner Recherchen zu dem Thema auch auf deine Intus gestoßen. Was ich noch nicht so ganz Verstanden habe, ist der Vorteil eines Bandpassfilters gegenüber einer herkömmlichen Tiefpassfilterung mal abgesehen von der Hubentlastung im Tiefton.
Vielleicht kannst du ja noch etwas Licht ins Dunkel bringen.

[pulsar99]

Hallo zusammen,

ich will mal versuchen einige Fragen zu beantworten:

@tiefton: die Sprungantwort werde ich bei Gelegenheit nachreichen. Klanglich kann ich bisher so viel sagen: durch den besseren Übergang TT-MT bei meinen Intus SE ist die vorher vorhandene Überhöhung bei 100Hz weg, dadurch klingts schon mal deutlich besser. Der Bass kommt richtg schön.

@zeppi: klar, Bandpasskonstruktionen gibts viele und ich hab auch schon einige gebaut, aber die Vorschaltung des elektrischen Bandpass hab ich vorher noch nirgendwo gesehen. (oder ich hab nicht intensiv genug gesucht...)

@Karsten: im Prinzip hast du recht, aber wie im Eingangstext geschrieben habe, muss du bei passiver Tiefpassfilterung auch Spule + Kondi + Impedanzentzerrung berücksichtigen, ist noch mehr Bauteilaufwand, ohne Zusatznutzen. Bei höherwertigen Treibern wird man eh eher aktiv arbeiten, dann braucht man sich um die Mitteltonanteile keine Gedanken machen.

@Gast: im einseitig ventilierten Bandpass fühlen sich Treiber mit starkem Antrieb (=niedriges Qts) nicht richtig wohl, da kriegst du keine schöne Abstimmung hin. Entweder du wählst einen niedrigen q-Wert (=großes ventiliertes Volumen), dann brauchst du aber die Frequenzganglinearisierende Wirkung des Filters nicht. Oder du wählst so hohe Abstimmfrequenzen, dass du unter den Möglichkeiten des Treibers bleibst. Ich hab u.a. Simulationen mit Visaton AL170 (Qts 0,39, grenzwertig), W200/8 (Qts 0,62, problemlos, aber großes Gehäuse) und dem BillichWillich TT (Qts 0,65, geht auch gut) gemacht. Treiber mit stärkerem Antrieb wirst du wohl besser aktiv betreiben.

@waterburn: wie ich oben schon geschrieben hab, Tiefpassfilterung wird vernünftig nur mit zusätzlicher Impedanzentzerrung funktionieren, die kann ich mir hier sparen.

Danke für euer Interesse am Thema und Grüße

Ralf

[Bertramxxl]

Hallo Ralf, vielleicht kannst du ja mal das Ergebniss deiner Simu mit dem Kennford hier im Forum mit Gehäuseplan und Weichenschaltung veröffentlichen ? Ich bin mir zwar klar darüber , das es so einige Chassis mit der geforderten hohen Güte gibt ,von denen auch so einige Günstig sind -aber der Kenny ist halt hier ziemlich Ausführlich getestet und gemessen worden ! Und am Ende für gut Befunden worden !!Nun wäre es interessant zu sehen was in dieser von dir Vorgeschlagenen Bauweise geht ....
Gruß Holger
P.S. Vielleicht entwickelst du ja mal ,,Nebenbei'' den Forensubwoofer Nr.1

[waterburn]

@waterburn: wie ich oben schon geschrieben hab, Tiefpassfilterung wird vernünftig nur mit zusätzlicher Impedanzentzerrung funktionieren, die kann ich mir hier sparen.

Hallo,
gelesen habe ich das wohl, verstanden habe ich es allerdings noch nicht. Habe jetzt mal versucht das ganze mit Boxsim nachzuvollziehen. Dort hat sich bestätigt, dass der Frequenzgang mit deiner Methode sehr schön eben wird. Bei einem Tiefpassfilter 2ter Ordnung ist der Frequenzgang sehr viel welliger, was ja aufgrund der Impedanzkurve auch Sinn macht. Allerdings habe ich nicht nachvollziehen können, warum man beim Bandpassfilter keine Impedanzlinearisierung braucht.

Gruß
waterburn

[pulsar99]

Hallo waterburn,

ich hab meinen ersten Post um eine Erklärung der Funktion erweitert, ich hoffe jetzt wirds klar.

Grüße Ralf

[Oldie]

Hy Ralf,

Nochmal Glückwunsch zu Deinem gelungenem Wurf, bin gerade dabei die Bauteile zusammen zu suchen.
Kann es sein, das Du als Basis 'ne Alto Weiche verwendet hast, oder nur Zufall ?
Das würde Zeppi's Theorie untermauern das Fertigweichen doch funktionieren und man mit leichten Modifaktionen amtliche Töner verwirklichen kann.
Also an alle Newbies
Let's get startet
Michi

[Kripston]

Hallo,

@zeppi: klar, Bandpasskonstruktionen gibts viele und ich hab auch schon einige gebaut, aber die Vorschaltung des elektrischen Bandpass hab ich vorher noch nirgendwo gesehen. (oder ich hab nicht intensiv genug gesucht...)

In meinem ollen Schwamkrug von 1989 gibt es ein ganzes Kapitel über das Thema gefilteter Bandpass. Das hatte mich ja auch damals auf die Idee mit dem oben erwähnten W 330 S gefilterten Bandpass gebracht.
Nach meinen damaligen zahlreichen Simulationen kommt man zu insgesamt besseren(??) Ergebnissen, wenn man den unbeschalteten Bandpass so abstimmt, daß sich zwei + 3 dB Buckel ergeben. Die passive Bandpassfilterung zieht das auch glatt (ggf. auch den Spulenwiderstand mit optimieren), erweitert die Bandbreite aber deutlicher als bei deiner Variante, außerdem werden die akustischen Filterflanken noch steiler.

Sehr schön, daß du das alte Verfahren reanimiert hast. Und dein Ergebnis beim Contest zeigt ja, daß so eine Konstruktion auch klanglich sehr gut mithalten kann, und das bei im Vergleich sehr überschaubaren Gehäuseabmessungen.

Respekt...


Viele Grüße
Peter Krips

[pulsar99]

Hallo,

@Michi: erst mal Danke für dein Kompliment, aber dein Contest-Beitrag war auch richtig gut! Zur Frequenzweiche: die ist komplett selbst entwickelt, irgendwelche Ähnlichkeiten zur Alto-Weiche sind wirklich zufällig. Und ohne den Saugkreis beim MT gings bei mir nicht.

@Peter: den Schwamkrug hab ich nie gelesen, mal sehen ob ich mir den noch gönne. Danke für den Hinweis!
Noch stärkere "Kamelbuckel" sind natürlich möglich wenn man das q weiter erhöht, allerdings geht dann auch Schalldruck verloren. Da muss man immer sehen wie es im Gesamtkonzept passt. Ich wollte ja nur eine Anregung für eigene Versuche geben, und da freue ich mich wenn das aufgegriffen wird!

In diesem Sinne - wie Michi sagt: let's get startet!

Grüße Ralf