Was ist mit der Phase los?

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richi44
Hat sich gelöscht

#1 erstellt: 16. Apr 2007, 09:42

Gleich zu Anfang: Es geht nicht um das Stromnetz, sondern um die Musik und ihr elektrisches Signal.

Zuerst mal die Frage: Was ist Phase?

Nehmen wir ein Sinussignal, so zeichnen wir das üblicherweise so, dass es bei Null startet, nach oben geht, also positiv grösser wird, den Scheitelpunkt erreich, wieder abfällt und in der negativen Richtung das selbe wiederholt.

Wäre es phasenverkehrt oder invertiert, sähe es so aus:

Jetzt haben wir aber nicht nur die beiden Zustände normal oder invertiert, also 180 Grad phasengedreht, sondern auch z.B. +90 Grad

und –90 Grad

Ebenso sind alle Zwischenwerte denkbar.

Welche Bedeutung hat nun das ganze:

Nehmen wir mal ein Musikinstrument, eine Kesselpauke. Diese besteht aus dem Trommelfell, das über den Kessel gespannt ist. Der Paukist schlägt nun auf die Pauke und presst damit die Luft in der Pauke zusammen. Dies ergibt im Raum eine Luftdruckverminderung. Das bedeutet, dass sich der Luftdruck genau umgekehrt verhält als unsere erste Zeichnung, er startet mit dem Minus.

Jetzt nehrmen wir zwei Mikrofone und stellen diese bei der Pauke auf. Betrachten wir das Signal, so ist es beim einen Mikrofon negativ startend, wie der Luftdruck.
Wenn alles stimmt, beginnt auch das zweite Mik genau gleich. Aber es könnte ja auch sein, dass beim zweiten Mik die Drähte vertauscht wurden und es daher ein positives elektrisches Signal liefert, wenn der Luftdruck fällt.

Diese Verpolung kann konsequenzen haben. Solange wir die Pauke nur mit einem Mikrofon aufnehmen, spielt die effektive Phasenlage keine Rolle. Auch wenn es im Orchester eine zweite Pauke gibt, so wird diese nicht zur genau gleichen Zeit angeschlagen und sie ist sicher auch nicht ganz genau gleich gestimmt.
Wenn wir aber die eine Pauke mit diesen beiden Mikrofonen aufnehmen, wovon eines verpolt ist und wir wollen die beiden Signale mischen, also addieren, so zählen wir das erste, normale und das zweite, invertierte Signal zusammen. Und wenn wir das Glück (oder Pech) haben, dass es keine Lautstärkedifferenz gibt, so ist das Resultat NULL. Wir hören also die Pauke nicht.

Tatsächlich sind Mikrofone und Lautsprecher so gebaut und verdrahtet, dass bei einem Luftdruckanstieg das Mikrofon am „heissen“ Anschluss ein positives Signal liefert, und wenn der Lautsprecher so ein positives Signal an seinem Plus-Anschluss bekommt, bewegt sich die Membran nach aussen und liefert also wieder den positiven Luftdruck. Diese ganze Geschichte hat nur mit der Aufnahmetechnik zu tun, dass da nicht plötzlich Pegelabfälle entstehen. Und weil man nie ganz sicher ist, kann man bei Mischpulten die Phase invertieren, wenn sich der Mik-Hersteller nicht an die Norm gehalten hat.

Weitere Phasenprobleme gibt es, wenn wir in einem Aufnahmeraum ein Mikrofon nahe an das Instrument stellen (dafür machen wir es am Pult leiser), ein zweites in einigem Abstand.
Wenn nun das Instrument angespielt wird (die Pauke wird angeschlagen), so trifft sein Ton zuerst beim nahen Mikrofon ein und liefert da einen Druckabfall. Danach schwingt das Trommelfell aus und liefert folglich einen Anstieg und Abfall und Anstieg...
Das entferntere Mikrofon bekommt den Schall später und kann je nach Situation genau dann den ersten Druckabfall umsetzen, wenn das nähere Mikrofon schon den ersten Druckanstieg erzeugt hat. Das könnte wieder bedeuten, dass sich nach dem Anschlagen die Signale der beiden Mikrofone aufheben.
Man wird also in der Praxis bei einer solchen Aufnahme (Hauptmik vor dem Orchester, Stützmikrofone bei den Instrumenten) die Stützmikrofone um deren Laufzeit gegenüber dem Hauptmik elektronisch verzögern, um eben diese Teil-Auslöschung zu verhindern.

Aber bleiben wir noch bei der Tonaufnahme.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Stereomikrofone aufzustellen. Entweder sind sie vertikal dicht übereinander, mit verschiedener Ausrichtung, aber ohne seitlichen Abstand. Dann haben wir eine XY-Anordnung. Es gibt allenfalls in der Vertikalen Laufzeitdifferenzen, aber die sind durch den geringen Abstand sehr klein. Horizontal ergeben sich keine Laufzeitunterschiede und damit keine unterschiedlichen Phasenverhältnisse. Was bleibt sind die Lautstärkeunterschiede aus den verschiedenen Richtungen der Mikrofone (Richtmikrofone).

Oder wir stellen die Mikrofone weit auseinander. Dann haben wir grosse Lautstärke- und grosse Laufzeitunterschiede.

Jetzt kann man die Mikrofone auch mit einem kleinen seitlichen Abstand aufstellen. Dann bekommen wir eine Aufnahme, wie sie unser Ohr auch liefern würde, also mit Lautstärke- und Phasendifferenzen aus der unterschiedlichen Laufzeit.

Hier eine kurze Zwischenbemerkung. Man könnte sich jetzt fragen, wie das denn aussieht, wenn im Raum Reflexionen entstehen und dadurch die Töne mit unterschiedlichen Laufzeiten eintreffen. Dies führt tatsächlich teils zu Auslöschungen. Es ist aber Sache des Konzertsaal-Architekten dafür zu sorgen, dass dadurch der Klang nicht verfälscht wird.

Und was geschieht bei uns am Ohr, wenn wir das selbe Instrument von den zwei Lautsprechern zuhaus mit unterschiedlicher Laufzeit und damit mit „Phasenfehlern“ hören?
Das Ohr braucht zur Richtungsbestimmung je nach Frequenz einen Lautstärkeunterschied, einen Phasenunterschied und einen Laufzeitunterschied. Und die gehörte Lautstärke wird von unserem Hörsystem (Ohr und Hirn) aus den Ergebnissen beider Ohren abgeleitet. Somit spielt es für die gehörte Lautstärke keine Rolle, wenn sich am einen Ohr eine Überhöhung und am anderen eine Absenkung ergibt. Wir registrieren dies höchstens als seitlichen Schall. Und wenn dieses Schallereignis einen eindeutigen Anfang hat (Anschlag eines Klaviers), so bestimmt die Laufzeit dieses ersten Ereignisses zwischen den Ohren die Richtung.

Dies steht also im Gegensatz zu dem Versuch, einen Raum auszumessen und ihn zu korrigieren. Da wird üblicherweise an einem Ort gemessen, nämlich dem bevorzugten Abhörpunkt, und mit einem Equalizer werden die Übertragungsfehler versucht auszugleichen.
Das Messmikro nimmt an einer Stelle auf, dabei müsste es wie die Ohren an mindestens zwei Stellen aufnehmen. Und es müsste nicht die direkte Addititon liefern, sondern die Addition der Lautstärke.
Und auch dann ergeben sich Fehler, weil das Ohr ja nicht nur auf den Pegel reagiert, sondern auch auf die Phase und vor allem auf das erste Schallereignis. Und mit dem EQ wird lediglich der Pegel im eingeschwungenen Zustand verändert. Dass dies Pegelveränderungen beim Einschwingen ergibt, die nicht korrigiert werden müssten, verzerrt die ganze Wiedergabe mehr, als dass sie verbessert würde. Daher sind Equalizer zur Raumentzerrung ungeeignet.

Doch zurück zur Phasenproblematik.

Nehmen wir an, wir möchten ein Stereosignal über ein kleines Kofferradio hören, also mono. Da werden die beiden Signale addiert (bezw. Das Radio bekommt nur die Mono-Version, die der Sender ausstrahlt). Sobald Laufzeitdifferenzen entstanden sind, gibt es Phasenunterschiede der beiden Signale eines Instrumentes und somit kann dieses Instrument in Abhängigkeit der Tonhöhe verstärkt oder unterdrückt werden. Das Radio bringt also nicht mehr das volle Orchester, sondern da kommen und gehen die Instrumente je nach Tonlage. Das bedeutet, dass solche Aufnahmen mit Laufzeiten als Monosignal nicht tauglich sind.

An dieser Stelle eine kurze Betrachtung der codierten Surroundsignale (Dolby Prologic). Bei diesen Signalen muss bei der Aufnahme peinlich vermieden werden, dass es Phasenfehler gibt. Alle Signale, die in Phase sind, werden entweder über die vorderen Hauptlautsprecher wiedergegeben, oder über den Center. Dies dann, wenn nicht nur die Phase stimmt, sondern wenn das Signal auch auf beiden Kanälen gleich stark ist.
Sobald die beiden Kanäle ein Signal gegenphasig ausgeben, wird dies als Rückseitensignal detektiert und somit sowohl über die Haupt- als auch die Rück-Lautsprecher wiedergegeben. Phasenfehler durch Laufzeiten würden daher dauernd die Rücklautsprecher aktivieren, obwohl der Ton ursprünglich nicht von hinten kommt.

Jetzt gibt es aber nicht nur die Phasenproblematik bei der Aufnahme, sondern auch in den Geräten.
Übliche Klangregler wirken für die Töne wie ein Hochpass oder Tiefpass. Diese elektrischen Pässe haben ein mathematisches Pendant, nämlich die Integration und die Differenzierung.
Wenn man mathematisch einen Sinus integriert oder differenziert, entsteht wieder ein Sinus, allerdings mit einer Phasenschiebung von jeweils 90 Grad.
Wenn man das elektrisch macht, ist die Phasneverschiebung von der Anzahl solcher Pässe und der Frequenz im Verhältnis zu den Bauteilen abhängig.

Nehmen wir mal ein Beispiel: Wir möchten ein Mikrofon über unser (gedachtes) Studiomischpult wiedergeben. Der eingebaute Klangregler ist ausgeschaltet.
Jetzt nehmen wir das gleiche Miksignal und führen es auf einen zweiten Kanal. Hier haben wir alle Filtermöglichkeiten aktiviert. Und die Ausgänge der beiden Kanäle mit dem identischen Miksignal mischen wir zusammen. Solange wir an den eingeschalteten Filtern nichts verdrehen, sondern diese einfach in der Neutralstellung belassen, passiert nichts. Jetzt nehmen wir aber an, wir würden bei den Filtern die Höhen aufdrehen, dafür aber die Lautstärke reduzieren.
Die Klangregler wirken wie erwähnt als Hoch- und Tiefpässe und verändern damit die Phase der Signale. Obwohl ich also die Höhen anhebe, kann es für bestimmte Frequenzen zu Auslöschungen kommen, weil die Phasenlage verändert wurde. Ich habe vermutlich kaum das erreicht, was ich wollte, sondern einen Klang erzeugt, der in der elektronischen (auch Gitarren) Musik als „Phasing“ bezeichnet wird.

Würde ich die beiden Kanäle getrennt über zwei Lautsprecher wiedergeben, würde sich die Anhebung und die Phasenproblematik anders auswirken, weil in den Ohren keine direkte Signal-addition vorgenommen wird. Es wäre vergleichbar den Stereosignalen mit leichtem Mikrofon-Abstand, welche für uns in Stereo kein Problem darstellen, welche aber nicht geeignet sind, ein Monosignal zu bilden.

Diese Funktion unserer Ohren macht es daher auch möglich, dass wir eine Orgel in der Kirche hören können. Dazu folgendes Beispiel aus der Praxis:
Ich habe vor Jahren eine Elektronenorgel gebaut. Ausgangspunkt ist ein Generator, der tastenabhängig die entsprechenden Sägezahnsignale liefert. Diese Signale enthalten alle Harmonischen. Nun wird mit Filtern diese Harmonischen beeinflusst, also der Klang des Sägezahns verändert.
Bei einer Kirchenorgel haben wir eine Unzahl an Pfeifen, die sehr unterschiedlich aufgebaut sind (es gibt ja nicht nur die paar Dinger, die man sieht) und sich daher im Klang deutlich unterscheiden. Man kann also bei der Orgel eine grundtönige Pfeife einsetzen und mit verschiedenen hell tönigen und in höheren Oktaven spielenden Pfeifen ergänzen. Das Resultat ist immer ein lauterer Ton, weil ja zwei oder mehr Pfeifen gleichzeitig aus verschiedenen Einbaupositionen der Orgel zusammenspielen. Es gibt als eine akustische Mischung für uns, und das für jedes Ohr anders.

Im Gegensatz dazu steht nun die elektronische Orgel. Wenn ich da einen sehr dumpfen Ton habe und ein Signal, das zwei Oktaven höher liegt und kaum eine Höhendämpfung aufweist, so nimmt die Lautstärke auch zu, obwohl es eine elektrische Mischung (Monobildung) ist. Wenn ich aber zwei gleiche Tonlagen verwende und diese durch die Oberton-Behandlung unterschiedlich klingen lasse, so bewirken diese Filter unterschiedliche Phasenverhältnisse. Und genau darum kann es bei der Elektronenorgel dazu kommen, dass durch Zuschalten weiterer Register der Ton nicht lauter wird, wie er sollte, sondern leiser.
Wollte man das also richtig machen, müsste man zumindest für jedes Register einen eigenen Lautsprecher einsetzen. Dann käme es auch zur akustischen Addition und nicht zur elektrischen.

Phasenprobleme als Phasenunterschied der Kanäle ist bis zu einem gewissen Punkt unkritisch. Trotzdem sollte der Phasenunterschied der Kanäle nicht zu gross werden, weil damit die Ortung verschlechtert wird. Wir erinnern uns daran, dass wir die natürliche Ortung aufgrund von Pegeldifferenzen, Phasendifferenzen und Laufzeitdifferenzen wahrnehmen.
Es ist daher nicht angezeigt, in den einzelnen Kanälen unterschiedliche Klangregler- oder Equalizereinstellungen zu verwenden.
Und obwohl betritten wird, dass das Ohr eine Phasenlage detektieren könne (wie erwähnt hat ein Sägezahn alle Harmonischen. Nur bei korrekter Phasenlage der einzelnen Harmonischen zueinander entsteht die Sägezahnform) und somit nicht in der Lage sei, die Phasenlagen der Harmonischen zu unterscheiden, wird eine Richtung unter anderem durch die Phasenlage detektiert. Um dies zu können, muss jedes Ohr eine Phasenlage erkennen können, um eine Differenz zu bilden.
Ausserdem haben Versuche bei einzelnen Probanden gezeigt, dass eine Phasenverschiebung der einzelnen Harmonischen (also Veränderung der Kurvenform) sehr wohl hörbar sein kann. Und weiter gibt es im Rundfunkbereich eine Schaltung, die bei der Monobildung eingesetzt wurde, um den Pegelanstieg zu verhindern. Dieses sogenannte 90 Grad-Filter (eine Kette von unterschiedlichen Allpässen mit einer Phasendifferenz über den Nutzbereich von 90 Grad zwischen den Kanälen) wurde aber bei allen Anstalten wieder entfernt, weil es den Klang negativ beeinflusst.
Und um Probleme mit der Monobildung oder dem Surround-Decoder zu vermeiden, wird im Studio die Phasenlage der beiden Stereokanäle zueinander laufend mit einem Oszilloskop oder einem Goniometer überwacht.

[Beitrag von richi44 am 16. Apr 2007, 09:45 bearbeitet]

--_Noob_;-_)_--
Inventar

#2 erstellt: 01. Mai 2007, 10:05

Ich bin immer wieder begeistert von Deinen ausführlichen und dabei noch verständlichen Erläuterungen.

Es gibt doch die Behauptung, daß Phasenfehler unter xy ° nicht hörbar sind. Wo liegt da die Grenze?

richi44
Hat sich gelöscht

#3 erstellt: 06. Mai 2007, 07:05

Das kann ich Dir nicht beantworten. Ich habe einfach festgestellt, dass Phasenfehler frequenzabhängig wahrgenommen werden. Das Ohr ist also im Mittenbereich sehr empfindlich, weil es in diesem Bereich aus den Phasendifferenzen (die aus Laufzeiten entstehen) eine Richtung generieren kann. Bei tiefen Frequenzen ist die Phasendifferenz durch Laufzeit gering, sodass sich das Ohr nicht die Mühe macht, etwas hören zu wollen, was in der Natur nicht existiert. Und bei hohen Tönen ergeben sich durch Reflexionen derart starke Phasenverschiebungen, dass das Ohr auch auf die Phasenauswertung verzichtet. Hier spielt nur noch der Pegel zur Ortung eine Rolle.

Weiter spielt es eine Rolle, ob ich aus zwei ungleichen Signalen ein Monosignal bilden will oder ob es sich um zwei unabhängig wiedergegebene Signale handelt.
Ist es ein Signal mit unterschiedlichen Phasen, so kommt es mehr oder weniger zu Überhöhungen oder Auslöschungen.
Sind es zwei Signale, so können sich durch die unterschiedlichen Phasen ebenfalls Auslöschungen ergeben, die frequenzabhängig sind und somit einzelne Frequenzen ausblenden. Es ist also keine vernünftige Mono-Bildung möglich.

Weiter entstehen durch Phasenfehler Signalverformungen, nämlich dann, wenn Oberwellen mit einer Phasenverschiebung wiedergegeben werden. Wie weit sowas hörbar ist, hängt stark davon ab, wie entscheidend diese Kurvenform am Klang beteiligt ist. Spielt ein Instrument alleine und hat einen "Rechteck-Charakter", so ist dieses Instrument dominant und es klingt natürlicher, wenn die Signalform erhalten bleibt. Dies ist aber auch ein Problem des Lautsprechers, denn er verhindert sehr oft die phasenkorrekte Wiedergabe.
Ist dieses Instrument aber im Verband mit anderen Instrumenten zu hören, so addieren sich die einzelnen Klänge und es entsteht letztlich eine neue Kurvenform, welche die einzelnen Grund- und Obertöne neu zusammenfasst.

Generell kann man sagen, dass bei einer Mischung oder Addition die Phasen erhalten bleiben sollten, zumindest im Mittenbereich, dass aber jede elektrische Mischung zu Auslöschungen führen kann, was akustisch auch der Fall wäre, nur fällt uns das nicht auf, weil diese Auslöschungen nicht für beide Ohren gleich sind (unterschiedliche Laufzeit und damit frequenzabhängig unterschiedliche Phasen) und für den Gesammteindruck die beiden Eindrücke vereint werden.

richi44
Hat sich gelöscht

#4 erstellt: 07. Mai 2007, 15:59

Zum Thema Phase gibt es aber noch weiteres zu berichten. Die Phasenproblematik entsteht einmal durch Laufzeiten, andererseits wie bereits erwähnt durch Widerstände in Verbindung mit Kapazitäten oder Induktivitäten, sowie auch die gemeinsame Wirkung von Kapazitäten und Induktivitäten.
Und es gibt ein weiteres Problem, nämlich: Wie stelle ich einen Phasenverlauf dar.

Nehmen wir mal das Stromnetz. Da haben wir drei Leiter mit gegeneinander unterschiedlichen Phasen. Diese drei Phasen entstehen durch drei getrennte Wicklungen auf dem Stromgenerator. Und da die drei Wicklungen in einem Winkel von jeweils 120 Grad angeordnet sind, haben diese drei Leitungen eine Phasenabweichung von 120 Grad.
Werden diese Leitungen an einen Dreiphasenmotor falsch angeschlossen, so läuft er rückwärts. Daher ist es bei Maschinen wichtig, dass die richtige Reihenfolge eingehalten wird. Um das zu kontrollieren, gibt es verschiedenartige Messgeräte. Allen gemeinsam ist, dass sie drei Anschlüsse haben, damit die Phasenverhältnisse zueinander messen und dass sie davon ausgehen können, dass alle drei Spannungen etwa gleich gross sind.

Wenn wir eine elektronische Schaltung haben, etwa einen Klangregler oder Equalizer oder eine Weiche, so haben diese Dinger eigentlich die primäre Aufgabe, den Pegel frequenzabhängig zu beeinflussen, also Höhen oder Tiefen anzuheben oder abzusenken. Dass sie dabei (zumindest bei analogen Schaltungen) zwangsläufig die Phase beeinflussen, ist "naturgegeben".
Will man nun in so einer Schaltung die Phase messen, ist es logisch, dass die Pegel der einzelnen Signale nicht mehr gleich gross sind. Wenn wir die Höhen absenken, so ist logischerweise bei hohen Frequenzen auf dem Ausgangssignal der Schaltung der Pegel um 20 oder mehr dB kleiner als am Eingang. Daher haben die Phasenmesser im Tonbereich eine Schaltung, die intern den Pegel angleicht und erst danach die Phase misst. Wenn wir also solche Messungen zu sehen bekommen, ist immer nur die Phase berücksichtigt, aber nie die Tatsache, dass z.B. die abgedämpften Höhen nicht mehr zu vernehmen sind, weil sie durch andere Musikteile vollständig verdeckt werden. Und es kommt auch nur zu Auslöschungen, wenn die Pegel genau gleich sind.

Hier mal eine prinzipielle Darstellung, wie sowas aussehen könnte.
Die rote Kurve stellt einen Hochpass mit 12dB Flankensteilheit dar. Das bedeutet, dass tiefe Frequenzen mit einer Phasen von +180 Grad starten und dann allmählich gegen Null Grad tendieren. Wie erwähnt ist nicht dargestellt, dass dieses Filter die tiefen Frequenzen nicht durchlässt und daher der Bereich mit +180 Grad zwar exisitiert, aber nicht hörbar ist.
Die blaue Kurve zeigt einen Tiefpass. Er startet mit vollem Ausgangspegel und Phase Null und endet bei minimalem Pegel bei Phase -180 Grad.

Die grüne Kurve zeigt, was passiert, wenn wir eine Laufzeit haben, also beispielsweise ein Signal eines Mikrofons mit dem Originalsignal am Lautsprecher vergleichen. Durch die Distanz zwischen Lautsprecher und Mikrofon bekommen wir eine Laufzeit, die sich in einer Phasendrehung von X Grad pro Hz darstellt. Und da ja an einem Kreis 180 Grad genau gegenüber 0 Grad liegt, gibt es eigentlich kein + oder -, denn es gibt auch keinen Unterschied zwischen 0 Grad und 360 Grad.
Wenn wir aber die grüne Linie betrachten, so sehen wir quasi 4 mal 360 Grad. In diesem Fall wissen wir, dass es sich um eine Verzögerung handelt, die diese Kurve zustande gebracht hat und dass dieses Phänomen verschwinden würde, wenn wir das Referenzsignal gleich stark verzögern würden. Und sähen wir den zeitlichen Verlauf des verzögerten und des unverzögerten Signals, so wäre bei jedem Ein- und Ausschalten die Verzögerung sichtbar.

Anders ist es, wenn wir z.B. das Lautsprechersignal nicht akustisch, sondern elektrisch an den einzelnen Chassis betrachten. Da ergeben sich durch die Weiche auch Phasendrehungen und man bekommt den Eindruck, die Phase würde mehrmals um 360 Grad gedreht. Das ist aber prinzipiell etwas anderes, denn es entsteht keine Verzögerung und daher stimmt der Eindruck nicht.
Wir wissen, dass der Hochpass bei + Phase startet und gegen Null strebt, also voreilend ist. Und wir wissen auch, dass der Tiefpass bei Null startet und gegen - strebt, also nacheilend ist. Man würde eigentlich erwarten, dass die eine Kurve ansteigt, die andere abfällt. Das ist aber offensichtlich nicht so und zwar darum, weil wie gesagt die eine bei Plus startet, die andere bei Null. Und damit ist die Verlaufsrichtung immer gleich. Und genau darum zeigt der Lautsprecher NICHT das Verhalten eines Signals wie etwa das grüne, obwohl die Kurve gleich aussehen kann, denn wir haben keine wirkliche Signalverzögerung.

Und das Gleiche gilt für eine Schaltung mit Allpässen. Das sind elektronische Schaltungen, die die Phase beeinflussen, ohne am Pegel etwas zu ändern. Damit kann man Phasenverläufe herstellen, die einer Verzögerung gleichen. Nur haben wir keine Verzögerung. Sobald wir ein Signal mit einer bestimmten Frequenz starten, bekommen wir am Ausgang dieses Signal zeitgleich, aber mit einer bestimmten Phase. Solche Schaltungen kann man verwenden, um bei Messungen die Phasenfehler durch eine Laufzeit auszugleichen, also das Phasenverhalten einens Lautsprechers mit einem Mikrofon zu überprüfen. Aber sie sind nicht dazu tauglich, Laufzeiten bei Musiksignalen auszugleichen, weil es sich dort um Impulse handelt, also spontanes Entstehen des Tones. Treten bei den einzelnen Lautsprechern einer Box Laufzeitunterschiede durch den ungleichen Abstand zum Zuhörer auf, so ist das Einschwingen als Verzögerung nicht mit solchen Schaltungen zu beheben, obwohl es sogar von renomierten Firmen versucht wurde. Diese Schaltungen erzeugen beim Ausmessen des Lautsprechers (anhaltender Ton) eine gleichmässige Wiedergabe, die aber mit der Musikwiedergabe nichts zu tun hat. Dort wird das Signal sogar noch verschlechtert.

Weil die Phasenverhältnisse bei Lautsprechern erwähnt wurden: Da gibt es ganz bestimmte Problematiken.
Da ist einmal die Lautsprecherweiche. Wenn wir sie in 12dB-Technik ausführen, also bei Hoch- und Tiefton mit je einem Kondensator und einerSpule, bekommen wir letztlich jeweils eine Phasendrehung von 180 Grad. Wenn wir nun den Frequenzgang messen mit einem gleitenden Sinus, so führen diese Phasendrehungen dazu, dass es zu Auslöschungen kommt. Wir bekommen also an den Übergangsstellen „Löcher“ in der Wiedergabe. Um das zu verhindern wird üblicherweise der „höhere“ Lautsprecher gegenüber dem „tieferen“ (gilt also auch zwischen Mittel- und Hochtöner) phasengedreht angeschlossen. Dies hat aber andere Konsequenzen. Wenn ich einen Spannungssprung übertragen will (eine Batterie an den Boxenanschluss halte), so müssen sich letztlich alle Membranen nach aussen oder alle nach innen bewegen. Das bedeutet, dass die Hochtonmembran sofort einen Ausschlag nach aussen vollführt und danach rasch wieder in die Ruhestellung geht. In der Zeit bewegt sich der Mitteltöner etwas langsamer nach aussen und kehrt allmählich wieder in die Ruhelage zurück, worauf der Tieftöner auslenkt und diese Auslenkung beibehält.
Ist aber bei dieser Box der Mitteltöner verpolt angeschlossen, so erfolt erste, schnelle Auslenkung nach aussen (Hochtöner), darauf eine Auslenkung nach innen (Mitteltöner) und später wieder eine Auslenkung nach aussen (Tieftöner). Hier haben wir also ein echtes Problem, dass wir nämlich diesen Spannungssprung falsch übertragen. Es ist nämlich ein grosser Unterschied, ob ich ein Sinussignal über einen Hoch- oder Tiefpass schicke oder ob ich eine Flanke übertragen will. In beiden Fällen kommt es zu einer Differenzierung oder einer Integrierung. Beim Impuls entsteht daraus ein mehr oder weniger steiler Signalanstig und –Abfall, beim Sinus bleibt die Form erhalten, nur mit einer geänderten Phasenlage.
Dies hat zur Folge, dass die Signalform bei einem nicht sinusförmigen Signal nicht erhalten bleibt, dafür aber der Frequenzgang bei Sinustönen linear wird. Welches nun das kleinere Übel ist, ist noch nicht ganz klar.

Man kann sich nun fragen, ob es eine Möglichkeit gäbe, dieses Problem aus der Welt zu schaffen. Ideal wäre ein Breitband-Lautsprecher, der auf eine Weiche verzichten kann. Allerdings ist das nicht ganz einfach, weil bei solchen Lautsprechern meist relativ grosse Membranen mit entsprechender Masse auch die Höhenwiedergabe übernehmen müssen. Dies ergibt rein aus der Masse Probleme und ausserdem führt das zu einer Bündelung mit entsprechend unebenem Frequenzgang.
Verwendet man nun aber Membranen mit einem eigenen Hochtonkegel oder solche, die mit steigender Frequenz den Aussenteil der Membran abkoppeln (Nawi-Membran oder Verbindung zwischen Hochtonteil mit Schwingspule und Tieftonmenbran durch ein elastisches Element), so gibt es unterschiedliche Schallentstehungsorte, damit Laufzeiten und folglich wieder Phasenprobleme oder es treten durch die Abkopplung zusätzliche Phasendrehungen auf, denn das elastische Material (Gummiring oder Nawimembran) wirkt mit der Membran- und Luftmasse wie ein normales Filter, macht also Phasendrehungen.

Noch ein Wort zum Lautsprecher allgemein: Man kann das mechanische Verhalten in einem elektrischen Ersatzschaltbild darstellen. Und man könnte im Prinzip fast alle Störfaktoren, die da entstehen, in dieses Schaltbild einfliessen lassen. Damit wäre es prinzipiell möglich, das Signal durch eine Konstruktion zu leiten, welche genau das Gegenteil macht und alle Einflüsse der Ersatzschaltung kompensiert. Es gab und gibt immer wieder entsprechende Bemühungen. Das Problem ist nur, dass sich an einem Lautsprecher nicht nur eine Vielzahl von Resonanzen einstellen, die es zu kompensieren gälte, sondern dass diese Resonanzen elektrisch kaum beeinflussbar sind und vor allem, dass sie durch die Boxen- und Raumbeschaffenheit mehr oder minder stark beeinflusst werden. Nur wenn die Resonanzen ganz genau bekannt sind, könnte ein Gegensignal diese verhindern. Da dürfte sich aber im Raum nicht mal der Luftdruck ändern, um keine Veränderungen gegenüber dem Lautsprecher zu ergeben.
Beschränkt man sich aber auf die rudimentärsten Bereiche der Bass-Eigenresonanz, so beeinflusst man den Rest des Lautsprechers nicht. Oder man geht her und baut irgend einen normalen, parametrischen Equalizer in die Schaltung ein, denn damit kann man sowohl den Pegel als auch die Phase beeinflussen. Ob das allerdings der Weisheit letzter Schluss ist, bleibt fraglich. Sicher ist sowas ein Stück weit möglich, weil sich ja die Lautsprechermechanik genau so verhält wie das elektrische Ersatzschlatbild. Da gibt es Widerstände, Spulen und Kondensatoren, die alle ihre Phasendrehungen erzeugen. Hat man aber einen guten Lautsprecher, der eigentlich nur die Bauteile der Bassresonanz in seinem Ersatzschaltbild zeigt (Mitteltöner), ist keine Phasendrehung zu erwarten, die störend wirken könnte. Und die Pegelschwankungen in Abhängigkeit der Frequenz und des Abstrahlwinkels ist mit einer Equalizer-Konstruktion ohnehin nicht in den Griff zu bekommen.

Das bedeutet, dass man eigentlich tun und lassen kann, was man will, man hat immer irgendwie mit Phasenproblemen zu kämpfen. Die einzige „Abhilfe“ ist, dass man sich die mässige Qualität des Ohres zunutze macht und die Filterfrequenzen so legt, dass sie in der Praxis nicht stören, also bei etwa 300Hz und bei mindestens 5000Hz. Da vermag das Ohr die Phasenprobleme nicht mehr zu registrieren.

[Beitrag von richi44 am 07. Mai 2007, 16:00 bearbeitet]

KSTR
Inventar

#5 erstellt: 08. Mai 2007, 00:52

Hallo Richi,

Ich glaube du solltest nochmal deinen Beitrag in einigen Details überdenken, denn schon beim schnellen Lesen sind mir da einige Seltsamkeiten aufgefallen. Im Endeffekt bestreitest z.B. du den echten, reinen Verzögerungscharakter eines analogen Allpasses, also eine glatte, konstante Gruppenlaufzeit (bis zu einer oberen Grenzfrequenz)? Das kann nicht dein Ernst sein. Selbstverständlich ist ein echtes Delay (also ein Band- oder Digitaldelay, oder eine Laufzeit wg. endlicher Schallgeschwindigkeit) was anderes, weil es keine obere Grenzfrequenz hat. Solange man diese nicht überscheitet, ist das Verhalten aber äquivalent. Man darf auch nicht vergessen, dass ein plötzliches Starten einer (beliebigen) Sinusfrequenz an beliebiger Stelle eben genau diese Grenzfrequenzbedingung verletzt, weil dabei alle Harmonischen erzeugt werden.

Und bei einer krummen Gruppenlaufzeit, wie z.B. in vielen Filtertypen für Frequenzweichen, kommen doch ebenso enstprechende Frequenzgruppen tatsächlich zeitlich verzögert zum Input. Da die Guppenlaufzeit definitionsgemäß mithin die Ableitung der Phase nach der Frequenz ist, tgr=-d(phi)/d(omega), spielt es für die Verzögerung keine Rolle, auf welchem Absolutniveau sich die Phase bewegt, entscheidend ist die Änderung. Oder umgekehrt, für eine bestimmte konstante Gruppenlaufzeit die nicht Null ist, dreht sich die Phase wie verrückt, ändert aber nichts am exakten Impulsverhalten. Das heißt, die zweite Ableitung der Phase nach der Frequenz muss Null sein, damit es keine Impulsverzerrung gibt, als einzige Bedingung.

Das verpolte Anschliessen eines Chassis, um damit Fehler auszugleichen die von einer Laufzeit (auch die inclusive, die von der Übertragungsfunktion des Chassis selber kommt) herrühren, ist natürlich nicht optimal. Das macht man besser mechanisch und/oder per Allpass für den betr. Weg. Dadurch bekommt man zwar zusätzliche Änderungen in der Gruppenlaufzeit und Amplitude, aber beides kann man über alles entzerren. In aktiven LS mit digitalen Frequenzweichen lässt sich das mittlerweilen auch konsequent und vollständig machen. Sogar abschaltbar (die Gruppenlaufzeitentzerrung über alles), wobei sich gezeigt hat, dass im Hörvergleich nur ein ganz geringer Prozentsatz vom Menschen krumme Gruppelaufzeiten (als nicht perfektes Impulsverhalten) überhaupt hören kann -- solange bestimmte Grenzen nicht überschritten werden.

http://www.paforum.de/phpBB/viewtopic.php?t=49092

http://www.hififorum.at/wbb2/thread.php?postid=51062#post51062

http://www.sound.westhost.com/pcmm.htm

http://www.trueaudio.com/post_010.htm

Grüße, Klaus

richi44
Hat sich gelöscht

#6 erstellt: 08. Mai 2007, 05:42

Hallo Klaus,
prinzipiell hast Du natürlich recht. Nur müsste man für einen Allpass mit optimalen Bedingungen eine Vielzahl von einzelnen Allpässen mit unterschiedlicher Abstimmung zu einer Kette verbinden. Das wurde beim EMT Peaklimiter gemacht. Der Aufwand ist allerdings sehr gross. Wenn hingegen nur ein oder zwei Allpässe verbaut werden, ist so ein Ding unbrauchbar.
Weiter kann man den Versuch machen und drei relativ tief abgestimmte Allpässe zur Kette verschalten, um damit eine Verzögerung zu simulieren. Wenn man nun einen relativ tiefen Sinus drauf gibt und den in bestimmtem Bereich verändert, sieht es nach Delay aus. Aber beim Anlegen des Signals ist es fast gleichzeitig auch am Ausgang zu sehen, allerdings mit einer nicht identischen Phase. Das Signal ist also nicht um den Faktor verzögert, den man sich mit den Allpässen zusammengebastelt hat. Das wäre wie gesagt erst mit einer Kette aus zig Allpässen der Fall.
Und ganz speziell spreche ich Schaltungen an, wie sie Tannoy in Lautsprechern verbaut hat. Mit zwei Spulen und zwei Kondensatoren wurde da ein Phasendrehung gebaut, die ganz einfach den Lautsprecher frequenzabhängig in der Phase invertiert hat. Dies irgendwie als Verzögerung zu bezeichnen ist Unsinn, wurde aber so behauptet. Man kann da wirklich ein Signal mit 2kHz anschalten und es startet mit gdrehter Phase, weil der Lautsprecher entsprechend angeschlossen war. Andererseits kann man auf diese Schaltung ein Signal von 10kHz geben und die Sache läuft mit normaler Phase. Das hat bei einem anhaltenden Sinus einen Verzögerungscharakter aber nicht beim Einsetzen des Tons.
Natürlich ist so ein Allpass genau so wenig ideal wie ein ein- oder zweigliedriger Allpass mit OPV, weil die Grenzfrequenz nicht beachtet wurde.

Mir geht es eigentlich weniger um die Theorie (ich weiss, eine Behauptung sollte sich auch mit der Theorie vertragen) als um die Praxis. Wenn also analoge Verzögerungsschaltungen mit drei OPV "angepriesen" werden, muss ich sagen, dass dies nicht wirklich funktioniert. Dazu wäre einfach ein höherer Aufwand nötig. Mir geht es mehr darum zu zeigen, dass es nicht falsch ist, die Impulstreue im Auge zu behalten, aufgrund eigener Versuche. Aber es macht wenig Sinn, dies mit relativ fragwürdigen Dingen zu tun, wenn dabei eventuell das wiedergegebene Einschwingsignal verformt wird und erst im eingeschwungenen Zustand (also ohne alle Oberwellen, die durch das Starten des Sinus entstehen) stimmt. Gerade dieses Einschwingsignal ist für uns ja von entscheidender Bedeutung. Ich wollte also damit aussagen, dass es durchaus Sinn macht, die fast unvermeidlichen Phasenprobleme in einen Bereich zu verlegen, in welchem unser Ohr nicht mehr darauf reagiert. Ob diese Bereiche nun genau unterhalb 300Hz und oberhalb 5000Hz liegen, wird individuell verschieden sein und nicht jeder reagiert gleich deutlich darauf. Meine Versuche haben aber gezeigt, dass diese Grenzen recht vernünftig sind, weshalb ich bei Lautsprecherkonstruktionen versuche, die Weichen in diese Bereiche zu legen.

Sheygetz
Ist häufiger hier

#7 erstellt: 29. Jun 2007, 20:43

Bei aller Liebe zu Erklärungen. Mir würde es am meisten helfen, wenn irgendwo in Fett stünde, ob Ausphasen an der Netzleiste irgendwas bringt (oder nur Gesülze der Flachpresse ist), und wenn ja, wie der Laie das tunlichst anstellt.

Vielleicht läßt sich das ja noch ergänzen, für die "Schwach-Stromtechniker" hier

Ansonsten i.j.F. danke für den geballten Sachverstand -
Hendrik

Argon50
Inventar

#8 erstellt: 29. Jun 2007, 20:46

Sheygetz schrieb:

Mir würde es am meisten helfen, wenn irgendwo in Fett stünde, ob Ausphasen an der Netzleiste irgendwas bringt ...

NEIN

(Nur wenn beim Hersteller des Gerätes etwas schief gegangen ist. Dann würde ich aber das Gerät zurückgeben.

)

[Beitrag von Argon50 am 29. Jun 2007, 20:47 bearbeitet]

richi44
Hat sich gelöscht

#9 erstellt: 30. Jun 2007, 06:05

In diesem Beitrag geht es um die Phasenlage der beiden Stereokanäle zueinander, oder jener verschiedener Quellen wie Mikrofone. Es geht um die Phasendrehungen, die durch Equalizer entstehen, aber das ganze hat NICHTS MIT DEM STROMNETZ ZU TUN!!

Über das Ausphasen im Stromnetz gibt es gnügend Beiträge, wo alles gesagt ist. Daher würde es ja wenig Sinn machen, das mit dem Netz hier nochmals zu wiederholen.