Frequenzweiche berechnen / Weichen Rechner/ Fertigweichen

Es kommt hier im Forum ziemlich oft vor, dass sich Leute melden, die wissen wollen wie man eine Frequenzweiche berechnen kann, oder ob es eine passende Fertigweiche für eine Chassiskombination gibt.. In der Regel erbarmt sich nach einer Weile jemand und muss mitteilen dass das nicht geht. Bis der Sachverhalt geklärt ist schreibt man sich fast die Finger wund, es ist ja auch ein umfangreiches Thema. Deswegen opfere ich nun etwas Zeit und verfasse diesen Beitrag, der auch hier verlinkt wird.
Sollte noch mal die Frage der Frequenzweichenberechnung oder Fertigweichen aufkommen, kann einfach dieser Beitrag hier verlinkt werden, ich versuche auch mich für Laien verständlich auszudrücken.
Mit Fertigweiche meine ich diese Universalweichen, wie sie oft angeboten werden, nicht die für eine bestimmte Kombination entwickelten Weichen, wie man sie manchmal fertig aufgebaut bei Lautsprecherbausätzen bekommt.
Nun zum eigentlichen Beitrag:


Du willst eine Weiche berechnen, eine fertige Frequenzweiche kaufen, oder eines der Weichentools aus dem Netz benutzen? Hört sich hart an, aber vergiss es!
Das funktioniert nicht, weil es nicht funktionieren kann.
Dafür gibt es mehrere Ursachen:

Impedanzanstieg:
Lautsprecher sind üblicherweise mit 4 oder 8 Ohm angegeben, selten auch mit 2, 3, 6, 12 oder 16 Ohm. Die Impedanz ist aber nicht linear (nur bei Magnetostaten ist sie einigermaßen linear), sie schwankt mit der Frequenz. Die Angabe zur Normimpedanz bezieht sich auf den Punkt des niedrigsten Widerstandes, also knapp über oder unter der Resonanzfrequenz. Bei der Resonanzfrequenz gibt es einen kräftigen Buckel, darüber steigt die Impedanz an. Je nach Chassis passiert das mal früher, mal später oder mal steiler, mal flacher. Das Gehäuse beeinflusst die Impedanz besonders im Bereich der Resonanzfrequenz, man kann also nicht von dem Diagramm auf dem Datenblatt ausgehen.
Fertigweichen, Weichentools und Formeln gehen von einem linearen Widerstand aus und können deshalb nicht funktionieren!

Frequenzgang:
Der Frequenzgang eines Chassis ist nicht schnurgerade. Er ist teils großen Schwankungen unterworfen, bei der Lautsprecherentwicklung geht es darum, diese Schwankungen zu minimieren.
Fertigweichen, Weichenrechner und Formeln gehen von einem linearen Übertragungsverhalten aus und können deshalb nicht funktionieren!

Das Gehäuse:
Auch das Gehäuse spielt bei der Weichenentwicklung eine große Rolle. Je nach Schallwandgröße, Schallwandform und der Anordnung der Chassis verbiegt sich der Frequenzgang. Bei der Weichenentwicklung mus man das in seine Überlegungen mit einbeziehen.
Fertigweichen, Weichenrechner und Formeln berücksichtigen weder Schallwandform, noch deren Größe oder die Anordnung der Chassis und können deshalb nicht funktionieren!

Pegelunterschiede:
Selten sind alle an einem Lautsprecher beteiligten Chassis bei gleichem Signal gleich laut. Ist der Tieftöner lauter, kann man es schon fast vergessen. Ist der Hochtöner zu laut, muss er mit einem Widerstand oder einem Spannungsteiler eingebremst werden. Das beeinflusst die Impedanz, die an der Weiche anliegt.
Fertigweichen, Weichenrechner und Formeln berücksichtigen das nicht und können deshalb nicht funktionieren!

Das war mal das Gröbste, es gibt bei der Weiche noch viel mehr zu beachten, Weicheentwicklung ist ein sehr komplexes Themengebiet.

Jetzt wird sich der ein oder andere denken "wozu gibt es die ganzen Formeln und Rechner dann? Die müssen doch zumindest ungefähr hinkommen und zu halbwegs brauchbaren Ergebnissen führen, auch wenn die Weiche so nicht ganz perfekt wird?"
Ich habe mir mal die Mühe gemacht und eine kleine Demonstration vorbereitet, die beweisen soll, dass die Berechnungen nicht einmal ansatzweise an die Realität ran kommen.
Dazu verwende ich das Simulationsprogramm Boxsim und zwei Visaton Chassis. Der W130S-8 wird als Tiefmitteltöner eingesetzt, der SC10N-8 ist der Hochtöner. Das ist eine eigentlich ganz passende Chassiskombination. Beide Chassis sind bei der Weichenentwicklung recht unkomplziert, sie zeigen keine starken Resonanzen oder sonst etwas, was den Entwickler vor eine Herausforderung stellt. 3000Hz sind eine praktikable Trennfrequenz für diese Kombination. Eine 12dB Weiche ist fast schon Standard und bei dieser Kombination durchaus angebracht.

Erst mal die unbeschaltete Version, also ohne Weiche. So sieht der Frequenzgang ohne Weiche im Gehäuse aus. Der Hochtöner ginge im Betrieb wohl kaputt, denn er wird nicht vor tiefen Frequenzen geschützt.




Nun kommt die Weiche ins Spiel, und zwar die berechnete Version. Als Eckdaten habe ich für beide Chassis 8 Ohm und als Trennfrequenz 3000Hz eingegeben.
Schaut man sich das Diagramm an, kann von 3000Hz Trennfrequenz nicht die Rede sein. Der Tiefmitteltöner liefert noch bei 7000Hz fast vollen Pegel, der Hochtöner verabschiedet sich erst unter 2000Hz, einmal zu laut gehört und man bräuchte wohl einen Neuen. Wir sehen außerdem einen starken Anstieg zu hohen Frequenzen, die Box würde dünn und nervig klingen. Dazu kommt noch ein tiefer Einbruch bei der Trennfrequenz. Da hat der Rechner kräftig ins Klo gegriffen, denn hier stimmt gar nichts.



Nach ein paar Minuten des Simulierens bin ich auf eine brauchbare Lösung gekommen.
Die Bauteilwerte weichen sehr stark von der berechneten Version ab, dafür stimmt das Ergebnis. Die Trennfrequenz von 3000Hz habe ich ziemlich genau getroffen, beide Chassis gehen symetrisch in den Sinkflug, der Hochtöner ist dank Vorwiderstand gleich laut wie der Tiefmitteltöner und der Frequenzgang ist insgesamt ausgewogen, was einen neutralen, angenehmen Klang verspricht. Es ginge wohl noch besser, aber dieses Ergebnis ist innerhalb weniger Minuten entstanden und soll ja nur der Demonstration dienen.



Ich hoffe, ich habe mich einigermaßen verständlich ausgedrückt. Wer Weichen berechnet kann die teuren Bauteile genau so gut im Klo runter spülen.
Ob man nun einen Weichenrechner nimmt, mit Formeln arbeitet oder eine fertigweiche kauft ist egal, das Prinzip dahinter ist das selbe, nämlich eine Berechnung, bei der viele wichtige Faktoren außer Acht gelassen werden.
Die Simulation ist besser, erfordert aber genaue Messdaten der Chassis. Nur mit den TSP kann man einigermaßen zuverlässig bis 300 oder 400 Hz simulieren. Auch eine Simulation ist nicht perfekt, es kann zu großen Abweichungen kommen je nach dem wie gut die Ausgangsdaten sind. In jedem Fall empfiehlt es sich, auch bei einer simulierten Box das Ergebnis mit Messtechnik zu überprüfen und zu perfektionieren.
Nur wenn es um eine Saufbox ohne Anspruch an guten Klang geht, macht es Sinn, den Hochtöner durch einen Kondensator zu schützen, der kann auch mal schnell berechnet werden.

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