Kantendiffraktion: Verständnis, Relevanz , Messung, Abhilfe

Lautsprecherbau und -tuning

Kantendiffraktion: Verständnis, Relevanz , Messung, Abhilfe

Beitragvon wgh52 » 13.11.2016, 15:58

Hallo liebes aktives Bauhaus,

dieses Thema ist inspiriert durch Nils' Beitrag zur Abstimmung von Hornlautsprechern, aber ich wollte das Ursprungsthema nicht ablenken.

FoLLgoTT hat geschrieben:Hallo Mattias,
die Dreckeffekte unter 30 dB sehen stark nach Kantendiffraktionen aus. Das würde auch erklären, warum sie nach der Korrektur unter Winkeln nicht verschwinden... Ich vermute, der Auslöser findet sich relativ nah an der eigentlichen Impulsantwort. Das ist typische für Kantendiffraktionen. Die sieht man in der Impulsantwort häufig erst, wenn man den Gain in ARTA stark erhöht...

Es ist eben nicht so, dass Fasen bzw. abgerundere Kanten mit einem Horn gänzlich überflüssig werden....

Kantendiffraktionen sehen im Abklingspektrum immer wie Resonanzen aus. Das liegt daran, dass das Fenster zeitlich geschoben wird, um das Diagramm zu erstellen. In Wahrheit sind es aber nur kurze Signalteile und keine Resonanzen. :)

Gruß
Nils

Die Zusammenhänge und vor allem auch Messmethoden würde ich gerne besser verstehen um bei meinen Lautsprechern gegebenenfalls (zumindest signifikante) Abhilfe zu schaffen zu versuchen. Ich weis von mindestens einem weiteren Interessenten hier im Forum.

Nils,

falls Du Deine Erkenntnisse und Methoden erläutern bzw. auf vielleicht existierende Wissensquellen verweisen würdest, hätten wir mindestens einen Einstieg ins Thema und könnten praktische Erfahrungen teilen. Das Thema scheint mir irgendwie (noch) nicht geschlossen beschrieben oder gelöst zu sein.

Danke und beste Grüße,
Winfried

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wgh52
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Beitragvon FoLLgoTT » 13.11.2016, 18:52

Hallo Winfried,
puh, Literatur habe ich zu dem Thema nicht. Ich muss mich auch ein wenig korrigieren. Kantendiffraktionen sind es in Mattias' Messung wahrscheinlich eher nicht. Es könnten aber Reflexionen sein, die etwas später eintreffen. Ich zeige weiter unten, wieso das sein kann.

Zur Entstehung des CSD (Cumulative Spectrum Decay): hierbei wird zunächst ein Fenster gesetzt. Je nach Einstellung wird der Anfang dieses Fensters nach rechts verschoben und eine FFT durchgeführt, also der Amplitudengang berechnet. Der rechte Rand des Fensters ist also fix. Es wird somit immer kleiner und die Frequenzauflösung sinkt mit der Zeit. Jede Verschiebung stellt eine "Scheibe" im CSD dar.

Das Festhalten des rechten Randes hat einige Eigenheiten. Z.B. sind Reflexionen, die sich sehr weit hinten im Fenster befinden, in jeder Scheibe enthalten. Diese Reflexionen sehen dann aus wie Resonanzen, die keinen Pegel verlieren. Deshalb ist es auch so wichtig, dass die Messumgebung innerhalb eines großen Zeitfensters komplett reflexionsfrei ist.

Ganz frühe Reflexionen sind im CSD auch sichtbar, allerdings nicht als zeitlich langgezogene Resonanz. Sie haben aber genauso Auswirkung auf den Amplitudengang.

Hier sind zwei Beispiele:

Frühe Reflexion an der Halterung des Mikrofons

Die Halterung meines Mikrofons ist relativ breit und erzeugt damit eine frühe Reflexion (nach ca. 20 cm). Das führt zu Kammfiltereffekten im Mittel- und Hochton und zu einem sichtbar längeren abklingen im CSD.

Unbedämpft:
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Bedämpft mit porösem Absorber:
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Unbedämpft:
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Bedämpft mit porösem Absorber:
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Erstreflexion an Boden und Decke

Gemessen wurde ein vertikal stark bündelnder Lautsprecher, der im Mittelton eine leichte Aufweitung besitzt. Die zeitliche Stelle der Reflexionen an Boden und Decke ist bekannt. Sie sind zwar durch die starke Bündelung kaum in der impulsantwort sichtbar, besitzen aber dennoch eine nicht zu unterschätzende Auswirkung im CSD.

Die Reflexionen sind als Resonanz sichtbar, obwohl sie keine sind.

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Fenster schließt Reflexionen aus:
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Fenster schließt Reflexionen ein:
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Ich hoffe, das hilft ein wenig. :)

Gruß
Nils
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Beitragvon FoLLgoTT » 13.11.2016, 18:58

Nachtrag: das soll natürlich nicht heißen, dass es nicht Treiber/Hörner mit üblen Resonanzen gibt. Die konnte ich auch schon messen. Das waren vor allem Waveformer für Line Arrays. ;)

Man sollte nur die Messumgebung möglichst frei von Reflexionen halten.

Gruß
Nils
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Beitragvon wgh52 » 13.11.2016, 19:24

OK Nils,

das bringt mich im Verständnis durchaus weiter, danke für die ausführliche Dokumentation!! :cheers:

Falls ich nichts mißverstanden habe, bist Du in Deinen Ausführungen auf Reflektionen eingegangen, was wirklich wertvoll ist, aber die Frage nach der Messmöglichkeit bzw. Identifikation bzw. Minimierung von Kantendiffraktionen steht, soweit ich verstehe, noch aus.

Ich denke mir halt (so in meiner naiven Vorstellung :wink: ), dass Kantendiffraktion (geometriebasierend) durch Laufzeitunterschiede mit entsprechender Pulsfensterung oder durch Pulsanalyse sichtbar (gemacht) werden könnten. Das kann ich halt (noch) nicht und hoff(t)e Methoden zur (messgestützten) Optimierung von Kantendiffraktion(en) zu erfahren.

Falls Du dazu noch beitragen könntest wäre ich sehr dankbar.

Grüße,
Winfried

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Beitragvon FoLLgoTT » 13.11.2016, 19:41

Hallo Winfried,

wgh52 hat geschrieben:Falls ich nichts mißverstanden habe, bist Du in Deinen Ausführungen auf Reflektionen eingegangen, was wirklich wertvoll ist, aber die Frage nach der Messmöglichkeit bzw. Identifikation bzw. Minimierung von Kantendiffraktionen steht, soweit ich verstehe, noch aus.

Naja, Kantendiffraktionen erzeugen Sekundärschallquellen und äußern sich damit nicht anders als frühe Reflexionen. Eine kreisförmige Schallwand mit zentrisch angeordnetem Treiber (maximal ungünstig!) erzeugt ein ganz ähnliches Kammfiltermuster wie mein Beispiel mit dem Mikrofonhalter.
Bei einem rechteckigen Lautsprecher und azentrischer Treiberplatzierung verschmieren die Kammfilter, weil die Sekundärschallquellen nach (leicht) unterschiedlichen Laufzeiten feuern.

Ich denke mir halt (so in meiner naiven Vorstellung :wink: ), dass Kantendiffraktion (geometriebasierend) durch Laufzeitunterschiede mit entsprechender Pulsfensterung oder durch Pulsanalyse sichtbar (gemacht) werden könnten. Das kann ich halt (noch) nicht und hoff(t)e Methoden zur (messgestützten) Optimierung von Kantendiffraktion(en) zu erfahren.

Das Problem ist, dass die zeitliche Differenz zum Direktschall sehr klein ist und sie meist im Impuls "untergehen". Man kann sie nicht so schön separieren wie spätere Reflexionen, die man ja oft direkt sehen kann, weil sie eine kleine (veränderte) Kopie des Originalimpuls darstellen.

Der Amplitudengang ist meist ein besseres Indiz für Kantendiffraktionen. Die resultierenden Kammfiltereffekte (bzw. Einbrüche und Überhöhungen) sind meist deutlich sichtbar. Hier (ab Seite 12) habe ich eine Kugel- gegen ein Zylindergehäuse gegenübergestellt. Das zeigt die minimale vs. die maximale Kantendiffraktion, die auftreten kann. In der Realität hat man meist einen fließenden Übergang.

Gruß
Nils
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Beitragvon Hans-Martin » 13.11.2016, 20:43

Hallo Nils,

wie sieht es aus mit wandschlüssigem Einbau, für den du dich nach den mir bekannten Bildern von deinem System entschieden hast? Das wirst du sicher auch untersucht haben.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon FoLLgoTT » 13.11.2016, 20:49

Hallo Hans-Martin,

Hans-Martin hat geschrieben:ie sieht es aus mit wandschlüssigem Einbau, für den du dich nach den mir bekannten Bildern von deinem System entschieden hast?
Das wirst du sicher auch untersucht haben.

Dummerweise habe ich meine Lautsprecher nicht eingebaut gemessen, bevor die Leinwand installiert war. Und die erzeugt selbst Reflexionen, so dass eine nachträgliche Messung keine Aussagekraft besitzt. Ich kann sie auch nicht einfach entfernen. Das ist ein größerer Aufwand.

Es bleiben aber selbst im Wandeinbau Reflexionen an den benachbarten Treibern. Ein großer Tiefmitteltöner oder ein Waveguide/Horn erzeugt Reflexionen und damit auch wieder Kammfilter im Amplitudengang. Das lässt sich aber meist nicht verhindern und die Hörbarkeit ist ohnehin fraglich. Wir wissen ja auch, dass ganz frühe Reflexionen minimalphasigen Charakter besitzen und sich komplett entzerren lassen. Zumindest unter einem Winkel...

Gruß
Nils
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Beitragvon Hans-Martin » 13.11.2016, 21:29

Hallo Nils,

ob der andere LS gleichphasig oder gegenphasig spielt, macht vermutlich einen großen Unterschied bei den Kammfiltern. Aber das betrifft jedes Lautsprecherset mit mehr als einem Mono-LS.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon wgh52 » 13.11.2016, 21:36

Danke Nils,

jetzt sind wir im Thema das ich meinte und die Ausführungen in Deinem PDF helfen schon!

Ich habe mit dem Simulationstool "Edge" die Schallwand meiner BM Omega simuliert und zwar für die 25 mm Hochtönerplatzierung (Einsatz momentan ab 4000 Hz) und die 50 mm Kalotte (Einsatz 900 momentan - 4000 Hz). Beide sind momentan mittig platziert.

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Ich kam auf eine Optimalpositionierung 14 mm außermittig für den 25 mm Hochtöner, was ich baulich umsetze.

Beim 50 mm Mittelhochtöner wären es 34 mm aussermittig, allerdings kann ich solch einen grossen Versatz momentan nicht realisieren...

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Zwei weitere Fragen stellen sich bevor ich weiterbaue:

1. Ich verstehe nun aus dem Gelesenen, dass der Schlüssel zur Optimierung des Kantendiffraktionseinflusses (und des Richtverhaltens!) im Abstrahldiagramm zu suchen ist. Die Wahl von Übergangsfrequenzen und Tönerplatzierung können also damit optimiert werden. ABER: Leider kann ich das (in Ermangelung von Drehtisch, reflektionsarmer Umgebung usw.) nicht messen :cry: Was kann ich also machen?

2. Was wir noch nicht behandelt haben ist der mögliche...wahrschnliche Einfluss der Form der "diffraktierenden Kante" auf die Diffraktionsintensität und deren Frequenzbereich. Ich meine: Intuitiv sollte eine scharfe 90° Ecke stärkere Phantomschallquellen bilden als eine abgerundete, was die Frage nach dem optimalen Kantenradius und seiner Berechnung bzw. Simulation aufwirft.

Vielleicht können wir auf diese Bereiche noch eingehen. Ich bin bereit hier Simulationen und praktische Versuche zu machen, allerdings wäre die Messproblematik als erstes zu lösen. :roll:

Danke und Grüße,
Winfried

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Beitragvon FoLLgoTT » 13.11.2016, 22:33

Hallo Winfried,

wgh52 hat geschrieben:1. Ich verstehe nun aus dem Gelesenen, dass der Schlüssel zur Optimierung des Kantendiffraktionseinflusses (und des Richtverhaltens!) im Abstrahldiagramm zu suchen ist. Die Wahl von Übergangsfrequenzen und Tönerplatzierung können also damit optimiert werden. ABER: Leider kann ich das (in Ermangelung von Drehtisch, reflektionsarmer Umgebung usw.) nicht messen :cry: Was kann ich also machen?

Einen manuellen Drehteller kann man relativ einfach selbst bauen. Siehe hier. Das kann jeder, der ein bisschen MDF sägen kann. :)

ARTA unterstützt mit der nächsten Version übrigens auch motorisierte Teller.

Eine reflexionsfreie Umgebung ist nicht zwingend notwendig, denn dafür gibt es ja die Fensterung. Es reicht, wenn der Lautsprecher in halber Raumhöhe mit Abstand zu den Seitenwänden gemessen wird. Das Fenster ist dann zwar nicht groß und der Messabstand sollte nicht größer als 1 m sein, aber es reicht für kleine bis mittelgroße Lautsprecher. Die finale Abstimmung kann man ja am Ende im Freifeld in größerer Höhe machen.

Ansonsten könntest du dich in ABEC einfuchsen und simulieren. Da benötigt man aber einige Monate zum Einlernen und sollte am besten 3D-CAD beherrschen. Es geht für einfache Gehäuse aber auch ohne.

2. Was wir noch nicht behandelt haben ist der mögliche...wahrschnliche Einfluss der Form der "diffraktierenden Kante" auf die Diffraktionsintensität und deren Frequenzbereich. Ich meine: Intuitiv sollte eine scharfe 90° Ecke stärkere Phantomschallquellen bilden als eine abgerundete, was die Frage nach dem optimalen Kantenradius und seiner Berechnung bzw. Simulation aufwirft.

"Scharf" ist relativ. Genauer gesagt ist es abhängig von der Wellenlänge. Je größer die Wellenlänge, desto größer muss die Rundung/Fase sein, um wirksam zu sein. Eine Faustformel habe ich da aber nicht, da ich das bisher nicht genauer untersucht habe.

Der Waveguide für meinen Linienstrahler, den ich damals habe fertigen lassen, besitzt eine großzügige Rundung (Breite insgesamt: 50 cm). Das horizontale Abstrahlverhalten dankt es mit einer unglaublichen Gleichmäßigkeit über den gesamten Frequenzbereich. Sprungstellen sind praktisch nicht vorhanden. Die generelle Frage nach der Hörbarkeit von kleineren "Macken" bleibt natürlich ...

Gruß
Nils
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Beitragvon modmix » 14.11.2016, 01:02

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Beitragvon chriss0212 » 14.11.2016, 08:45

Hallo Uli,

Danke für den Link! Sehr aufschlussreich und schön beschrieben.

Was mir insgesamt gut gefällt ist dieser Satz:

Faszinierend, und von Seiten des Autors noch nicht vollständig verstanden.

Hier wird endlich mal nicht versucht mit viel "Geschwurbel" etwas zu erklären was man nicht versteht, sondern Ehrlichkeit ist Trumpf! Find ich gut.

Viele Grüße

Christian
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Beitragvon RS.schanksaudio » 14.11.2016, 10:01


Die letzte Abbildung zeigt in etwa die Strategie die wir bei unserer neuen Prisma 2 verfolgen, also die Kombination Formgebung der Schallwand, Schallführung am Hochtöner und Trennfrequenz:

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weiterer Input: https://www.hifi-selbstbau.de/grundlage ... schallwand

Und natürlich die älteren Untersuchungen von Olson aus den 60ern:

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Viele Grüße
Roland
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