Frequenzweichen

Hier wird erklärt wie Freuquenzweichen prinzipiell aufgebaut sind. Ich erkläre hier nicht, wie ihr eine Lautsprecherfrequenzweiche entwickelt. Denn dazu braucht man viel Erfahrung, Equipment und ein geschultes Gehör

Es ist zwar nicht schwer eine Frequenzweiche zu bauen, die einen Hochtöner vor Bass schützt, umso schwerer ist es aber, eine Frequenzweiche zu bauen die gut klingt. Wichtig ist hier immer die Kombination aus Chassis und Frequenzweiche. Wenn man die Weiche aus einer 1000€ Box nimmt und die Chassis durch andere ersetzt (die auch beliebig hochwertig sein können) wird das nicht gut klingen.

Frequenzweichenrechner

Hier möchte ich auch nochmal darauf hinweisen, dass es unmöglich ist, eine gut klingende Box mit einem Frequenzweichenrechner zu berechnen. Denn sie fordern nur die Impedanz, den Wirkungsgrad und die gewünschte Trennfrequenz. In Weichenberechnung spielen allerdings viel viel mehr Faktoren rein, wie zb Impedanzgang, Frequenzgang und sogar das Gehäuse.

Das einzige kostenlose Programm das Weichen halbwegs realistisch simulieren kann ist Visaton Boxsim.

Wenn ihr euch näher zu dem Thema informieren wollt, solltet ihr euch diesen Breitrag durchlesen:

 

http://www.hifi-forum.de/viewthread-104-24799.html

Einteilung

Prinzipiell gibt es Aktive und passive Weichen. Aktive Weichen sind vor dem Verstärker, passive dahinter. Bei einer aktiven Weiche braucht man deshalb pro Weichenkanal einen Verstärker. Bei einer passiven Weiche reicht ein einzelner Kanal aus. Allerdings klaut die passive Weiche Wirkungsgrad und hat lange nicht so viel klangliches Potential wie die aktive.

Bei Aktiven Weichen gibt es analoge Schalungen, die ähnlich zu den passiven Weichen sind. Außerdem gibt es aber auch Digitale Aktivweichen. Diese nennen sich DSP (Digital Signal Processing). Mit einem DSP kann man am Computer ganz universal einstellen, was für Einstellungen man gerne hätte und sie in Sekundenschnelle ändern, ohne Bauteile austauschen zu müssen.

 

Dennoch sind passive Weichen im Lautsprecherbau viel verbreiteter.

Passive Weichen

 

Passive Frequenzweichen sind nur aus verschiedenen Grundtypen zusammengesetzt. Es gibt Hochpässe, Tiefbässe und Bandpässe. Es gibt auch noch Sperrkreise, Saugkreise und Lautstärkeanpassungen auf die ich später eingehen werde, da sie keine echten Weichenbestandteile sind.

 

Ein Hochpass soll hohe Frequenzen durchlassen, bzw tiefe Frequenzen herausfiltern.

Ein Tiefpass lässt tiefe Frequenzen durch.

Ein Bandpass ist eine Mischung aus beidem. Er filtert sowohl hohe als auch tiefe Frequenzen heraus.

 

Eingeteilt wird noch zusätzlich in verschiedene Ordnugnen, die angeben wie schnell der Frequenzgang ab einer bestimmten Frequenz abfällt. Eine Weiche erster Ordnung Filtert mit 6db/Oktave. Bei einer Verdopplung/Halbierung der Frequenz nimmt die Lautstärke um 6db ab. Weichen zweiter Ordnung filtern mit 12db/okt, bei dritter Ordnung sind es 18db/okt.

Mit einer höheren Ordnung kann man prinzipiell den Bereich, in dem das Chassis gut klingt optimal ausreizen. Allerdings werden die Bauteilkosten höher und es wird deutlich schwerer zu entwickeln.

Deshalb versucht man normalerweise mit einer möglichst niedrigen Ordnung auszukommen und nimmt nur eine höhere, wenn man mit der aktuellen nicht zum gewünschten Ergebnis kommt.

Ein Filter erster Ordnung besteht bei einem Hochpass nur aus einem Kondensator in Reihe zum Chassis. Beim Tiefpass nur aus einer Spule. Bei einem Bandpass werden einfach die beiden Typen hintereinander geschaltet. Der Hochpass nimmt als erstes Bass weg, danach der Tiefpass den Hochton.

 

Eine Spule hat bei tiefen Frequenzen einen niedrigen Widerstand, bei hohen Frequenzen einen hohen. Das liegt an der Selbstinduktion der Spule. Wenn ein sich verändernder Strom (in Größe oder Richtung), durch die Spule fließt, entsteht ein sich änderndes Magnetfeld in und um die Spule. Dieses Magnetfeld kann eine Spannung induzieren, die iherer Ursache entgegengerichtet ist. Je stärker sich das Magnetfeld ändert, desto größer ist die induzierte Spannung. Da diese Spanung entegen der angelegten Spannung gerichtet ist, erhöht sich der Widerstand.

Bei einem 1000Hz Ton wechselt der Stromfluss 2000mal in der Sekunde. Dementsprechend ist auch die induzierte Spannung besonders hoch. Bei einem 100Hz Ton ist die Spannung entsprechend niedriger.

Das macht man sich übrigens auch bei einem Schaltnetzteil zu Nutze. Die 50Hz Frequenz des Netzes wird deutlich erhöht. In der Sekundärspule des Trafos kann jetzt viel besser Induziert werden. Deshalb sind Schaltnetzteile deutlich kleiner und damit auch billiger als alte herkömmliche Trafos.

 

Ein Kondensator stellt das Gegenstück zur Spule dar. Sein Widerstand steigt mit abnehmender Frequenz. Je höher die Frequenz ist, desto weniger Zeit hat er um sich aufzuladen. Dementsprechend ist die Spannung, die im Kondensator entsteht kleiner. Der Widerstand sinkt also. Wenn man Gleichspannung anschließt, ist der Konensator recht schnell voll aufgeladen und stellt einen unendlich hohen Widerstand dar.

 

 

 

Bei Filtern zweiter und dritter Ordnung werden noch zusätzliche Kondensatoren und Spulen angeschlossen. Es entsteht ein Spannungteiler. Der sowieso schon gebremste Strom muss nicht mehr nur durch das Chassis, sondern kann auch den anderen Weg durch die Spule/Kondensator beim Hochpass/Tiefpass nehmen. Abhängig von der Frequenz ist der Strom dementsprechend groß oder klein.

Sperrkreise, Saugkreise, Lautstärkeanpassung

Ein Sperrkreis soll einen Frequenzbereich in einem bestimmten Bereich leiser machen. Bei vielen Breitbändern ist zb der Mittelton im Vergleich zum Bass und Hochton zu laut. Mit einer einfachen Schaltung kann man den Klang vom Breitbänder stark verbessern.

Ein Sperrkreis ist eine Parallelschaltung aus Kondensator, Spule und Widerstand.

Die Auslegung vom Sperrkreis hängt nur von Chassis und Gehäusebreite ab. Wenn man also einen Bausatz mit seinem gewünschten Chassis und ähnlicher Gehäusebreite (+/-10%) findet, kann man den Sperrkreis übernehmen.

Ein Saugkreis macht im Prinzip das gleiche wie der Sperrkreis - einen bestimmten Frequenzbereich in der Lautstärke zurücknehmen. Der Aufbau ist allerdings das genaue Gegenteil.

Ein Saugkreis ist eine Reihenschaltung aus Kondensator, Spule und Widerstand parallel zum Chassis.

Wenn man eine Box mit mehreren Chassis hat, haben die idR nicht den gleichen Wirkungsgrad. Dementsprechend spielt der Hochtöner dann einfach lauter als der Tieftöner. Um das anzupassen schaltet man vor das zu laute Chassis einen Spannungsteiler.

 

Ein Spannugsteiler ist ein Widerstand in Reihe und einer parallel zum Chassis. Er nimmt unabhängig von der Frequenz die Lautstärke zurück.

Aktive Weichen

Analoge Aktivweichen bestehen aus Kondensatoren, Widerständen und Operationsverstärkern. Aus Kondensatoren und Widerständen baut man sich RC-Glieder, die nicht gewünschte Frequenzen herausfiltern. Mit den Opterationsverstärkern kann man die Lautstärke anheben, da die RC Glieder das gesamte Signal schwächen.

Aktivweichen brauchen deshalb auch eine Stromversorgung.

Auf den genaueren Aufbau möchte ich hier allerdings nicht eingehen.

 

Digitale Frequenzweichen verarbeiten das Signal, wie der Name schon vermuten lässt, digital. Dafür wird als erstes das analoge Signal in einem A/D Wandler in Nullen und Einsen umgerechnet, in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt und anschließend wieder in einem D/A Wandler zurückgewandelt. Die Qualität der Weiche hängt hauptsächlich von den Wandlern ab. Je höher die Auflösung des Wandlers desto besser die Weiche.

Man kann Aktivweichen prinzipiell auch direkt mit digitaler Musik füttern.

Ein Equalizer am PC ist also im weiten Sinne auch eine Aktivweiche, denn man verändert das Signal schon vor dem Verstärker.

Es gibt auch Programme für den PC, mit denen man eine Digitalweiche simulieren kann. Dann kommt zb aus den Kanälen für die Frontlautsprecher das Signal für die Tieftöner, aus den Kanälen für die Rear-Lautsprecher das für die Hochtöner.

Damit verliert man dann allerdings natürlich die Möglichkeit Surround Sound zu nutzen.

Digitale Frequenzweichen gibt es bereits für um die 100€ (Mini DSP).