Was bedeutet Phasenlage

[Sirarokh]

Ich lese immer wieder in verschiedenen "Fach"zeitschriften, dass bestimmte Verstärker Probleme mit Lautsprechern haben, die die Phase drehen.
Aus theoretischem Physik-Leistungskurs-Standpunkt weiß ich, dass induktive (Spulen) oder kapazitive (Kondensatoren) Bauteile die Phase ändern können, was sich bei Sinuswellen als positiver oder negativer Phasenversatz äußert, das heißt die Welle wird um einen bestimmten Betrag in der Zeit verschoben, was bei einer Sinuswelle auch kein Problem darstellt.
Was mir bei einer Sinuswelle logisch vorkommt, bereitet mir aber bei einer Musikschwingung Kopfzerbrechen, da eine Phasenverschiebung ja gewissermaßen ein Winkelversatz auf einem Kreis wäre, die Musik sich aber nicht auf einen Kreis begrenzen lässt, da sie ja verschiedene Frequenzen (und damit Winkelgeschwindigkeiten) vereint. Ein einziger Winkelversatz hätte also auf verschiedene Frequenzen zeitlich verschiedene Auswirkungen, so würde sich z.B. die vielzitierte "Superposition der Obertöne" drastisch ändern.
Was also passiert bei einer solchen komplexen Schwingung durch einen Phasenversatz?
Und warum haben manche Verstärker damit Probleme und andere nicht?

[JensII]

Ich glaube da ist ein Missverständniss:
Es geht hier nicht (so weit ich das verstanden habe ) um die Musik-Phasenlage, sondern um die Phasenlage zwischen Spannung und Strom aus sicht der Verstärkers, der ja eine "Strom/Spannungsquelle" darstellt.

Aber nicht jede "Strom/Spannungsquelle" kommt gleich gut mit solchen komplexen Lasten zurecht. Am besten sind in dieser Hinsicht REIN OHMSCHE Lasten, die aber durch Induktivitäten und Kapazitäten der Chassis und Frequenzweichen wohl quasi nicht zu bauen sind.


Man kann auch sehen, wie teilweise die Industrie versucht mit solchen Sachen Profit zu machen: LINK

[Sirarokh]

Also lediglich ein Zeitversatz zwischen Strom und Spannung. Also entweder eine Verzögerung des Stromes oder eine der Spannung, richtig?
Ist das auch der Grund für die Ströme, die die Box an den Verstärker zurückschickt? Oder kommen die einfach nur durch die "Generatorwirkung" der Schwingspule zu Stande?

[teite]

Hallo,

Ich lese immer wieder in verschiedenen "Fach"zeitschriften, dass bestimmte Verstärker Probleme mit Lautsprechern haben, die die Phase drehen.

Damit ist die Lautsprecher Impedanz gemeint, bzw die Phase der Impedanz, also wenn der Strom der Spannung vor- oder nacheilt.

Was mir bei einer Sinuswelle logisch vorkommt, bereitet mir aber bei einer Musikschwingung Kopfzerbrechen, da eine Phasenverschiebung ja gewissermaßen ein Winkelversatz auf einem Kreis wäre, die Musik sich aber nicht auf einen Kreis begrenzen lässt, da sie ja verschiedene Frequenzen (und damit Winkelgeschwindigkeiten) vereint.

Hier geht es eigentlich um unterschiedliche Signallaufzeiten bei verschiedenen Frequenzen im hörbaren Audiospektrum, die sich in Phasenverschiebungen äussern. Natürlich können diese mehr als 360° betragen.

Messtechnisch sind üblicherweise mit periodischen Messsignalen (MLS) aber nur Phasenverschiebungen von +180° bis -180° erfassbar. Deshalb macht die Phase in einem Phasendiagramm auch so merwürdige Überläufe.

Ein einziger Winkelversatz hätte also auf verschiedene Frequenzen zeitlich verschiedene Auswirkungen, so würde sich z.B. die vielzitierte "Superposition der Obertöne" drastisch ändern.
Was also passiert bei einer solchen komplexen Schwingung durch einen Phasenversatz?

Das sieht theoretisch böse aus, "angeblich" ist das Ohr aber nicht soo empfindlich gegenüber Phasenverschiebungen. Da gabs aber schon genug Diskussionen darüber.

cu,
Stefan

[Sirarokh]

Danke für die ausführliche Antwort. Ich denke, jetzt bin ich schlauer

[Inder-Nett]

Ich denke, jetzt bin ich schlauer

Naja, zumindest um Halbwissen bereichert worden

Hier geht es eigentlich um unterschiedliche Signallaufzeiten bei verschiedenen Frequenzen im hörbaren Audiospektrum, die sich in Phasenverschiebungen äussern. Natürlich können diese mehr als 360° betragen.

Wenn es darum geht, "dass bestimmte Verstärker Probleme mit Lautsprechern haben, die die Phase drehen", dann ist damit wohl die Phasenlage des Stromflusses durch den Lautsprecher (relativ zum Spannungsverlauf) gemeint (Thema: Zweipol-Theorie!!!)
...und deren Phasenfehler liegen bei den mir bekannten Filteranordnungen im Bereich +/- 90° (was schon schlimm genug ist).

In volkstümlichen Worten kann Das im schlimmsten Falle bedeuten:
Wenn der Verstärker gerade das Maximum seiner Ausgangsspannung liefert zieht die Box überhaupt keinen Strom.
Wenn der Verstärker dann am Ausgang gerade den Nulldurchgang einer Welle erreicht zieht die Box Maximal-Last!
Und selbst nachdem die Ausgangsspannung am Verstärker schon unter Null (also negativ!) ist zieht die Box noch einen positiven(!) Laststrom.
Damit haben viele Verstärker tatsächlich Probleme, manche neigen zum Verzerren oder zu HF-Schwingungen um die Nulldurchgänge, andere übersteuern die Pegel-Spitzen...

Bei der Betrachtung von Vierpolen (also z.B. den Phasenfehlern zwischen eingespeister Wechselspannung in Box zu abgestrahltem Schall) können natürlich wesentlich größere Phasenfehler auftreten (insbesondere wenn man es verseumt, die Schallaufzeit zwischen Membrane und Messmikrofon korrekt zu berücksichtigen ).

Messtechnisch sind üblicherweise mit periodischen Messsignalen (MLS) aber nur Phasenverschiebungen von +180° bis -180° erfassbar. Deshalb macht die Phase in einem Phasendiagramm auch so merwürdige Überläufe.

Bei der Messung mit periodischen Signalen ist man nicht einmal dazu in der Lage, zwischen Phasenverschiebungen (also Verzögerungen) um 180° und Phasendrehungen (also Signal-Inversion) zu unterscheiden.

Aber was'n Glück, dass dieses Verfahren von "anerkannten Experten" heilig gesprochen wurde und somit "über jeden Zweifel erhaben" ist

Deshalb macht die Phase in einem Phasendiagramm auch so merwürdige Überläufe.

Im zitierten Beispiel handelt es sich wohl eher um einen "Anfänger-Messfehler" (siehe oben), wie sonst wäre es wohl zu erklären, dass die Phase an der unteren Grenzfrequenz gegen null geht...

Bei korrekt durchgeführten (und ausgewerteten) Messungen treten solche "Sprünge" meist nur auf, weil man wiederholte Phasendrehungen (also Inversion) in den 2 Dimensionen einer Grafik anders nicht darstellen kann.
Frequenzgänge sind nun mal komplexe Gebilde, zu deren korrekter und vollständiger Darstellung mindestens 3 Dimensionen benötigt würden.
Früher (als Wissenschaft noch vor Marketing und Praktizismus kam) hat man wenigsten hin und wieder noch mal ein Bode-Diagramm dazu gesehen, da wird sowas deutlicher...

Das sieht theoretisch böse aus, "angeblich" ist das Ohr aber nicht soo empfindlich gegenüber Phasenverschiebungen.

Nö, es nutzt sie lediglich zur Unterscheidung zwischen vorn und hinten, Direktschall/Raumschall etc....
Ist aber nicht soo wichtig, Hauptsache Geoge Lukas findet es gut und drückt seinen THX-Stempel drauf

[teite]

Hallo,

Wenn es darum geht, "dass bestimmte Verstärker Probleme mit Lautsprechern haben, die die Phase drehen", dann ist damit wohl die Phasenlage des Stromflusses durch den Lautsprecher (relativ zum Spannungsverlauf) gemeint (Thema: Zweipol-Theorie!!!)
...und deren Phasenfehler liegen bei den mir bekannten Filteranordnungen im Bereich +/- 90° (was schon schlimm genug ist).

Lesen und Verstehen, das scheinen nicht deine Stärken zu sein:

Ich habe geschrieben zum Thema Verstärker Problematik:

Damit ist die Lautsprecher Impedanz gemeint, bzw die Phase der Impedanz, also wenn der Strom der Spannung vor- oder nacheilt.

Siehe auch angefügte Grafik.

Dass es sich hier um einen Zweipol handelt ist ein korrekter Hinweis, ob er den Fragesteller weiterbringt weis ich nicht zu beantworten.

Im zitierten Beispiel handelt es sich wohl eher um einen "Anfänger-Messfehler" (siehe oben), wie sonst wäre es wohl zu erklären, dass die Phase an der unteren Grenzfrequenz gegen null geht... Rolling Eyes

Nun das sieht mir doch stark nach einem akustischen Tiefpassverhalten aus. Aber das kann es ja nicht geben.

cu,
Stefan

[m(A)ui]

@ Inder-Nett
Perfekt erklärt!

Was man noch zusätzlich erwähnen könnte, ist das die für verstärker kritische Last aufgrund der Phasendrehung hauptsächlich im Bassbereich (*) auftritt, da dort in der Regel die größten Strom- und Spannungsspitzen auftreten (und auch über den längsten Zeitraum=Perioden/Frequenz).

gruß

(*) noch besser: da wo Impedanzminimum auf Phasenmaximum trifft!

[Inder-Nett]

Nun das sieht mir doch stark nach einem akustischen Tiefpassverhalten aus.

Ein akustischer Tiefpass an der unteren Grenzfrequenz
Genauso unwahrscheinlich wie der Phasenverlauf und die 180°-Phase mitten im Übertragungsbereich des TMT...

Was man noch zusätzlich erwähnen könnte, ist das die für verstärker kritische Last aufgrund der Phasendrehung hauptsächlich im Bassbereich (*)...
(*) noch besser: da wo Impedanzminimum auf Phasenmaximum trifft

Diese Probleme treten grundsätzlich in der Nähe von Resonanzen und in der Nähe der Übergabe-Frequenzen von Weichen auf, insbesondere wenn die Weichen sehr steilflankig und verlustarm ausgelegt sind... je mehr Wege, desto kritischer...

Im Bassbereich sind die Störungen sicherlich am auffälligsten, aber die gleichen Probleme können (je nach Boxen-Auslegung) auch nahe jeder Übergabe-Frequenz auftreten und führen je nach Verstärker, Pegel (und Kabel) dann zu ganz individuellen "Klang-Erlebnissen"...

Edit: Nachsatz zur Beruhigung der nuBisten: Die Weichen in den Nubert-Boxen sind weder "sehr steilfankig" noch "verlustarm ausgelegt", d.h. diesbezüglich relativ "gutmütig", also keine Panik...

[tiyuri]

Was mir bei einer Sinuswelle logisch vorkommt, bereitet mir aber bei einer Musikschwingung Kopfzerbrechen, da eine Phasenverschiebung ja gewissermaßen ein Winkelversatz auf einem Kreis wäre, die Musik sich aber nicht auf einen Kreis begrenzen lässt, da sie ja verschiedene Frequenzen (und damit Winkelgeschwindigkeiten) vereint. Ein einziger Winkelversatz hätte also auf verschiedene Frequenzen zeitlich verschiedene Auswirkungen, so würde sich z.B. die vielzitierte "Superposition der Obertöne" drastisch ändern.
Was also passiert bei einer solchen komplexen Schwingung durch einen Phasenversatz?

Ein Tiefpassfilter erster Ordnung könnte folgendermaßen aussehen:

Code: Alles auswählen

      ________
   :          |
   :         _|_
   :        |   |
   :        |   | R
   :        |___|
   :          |
Ue :          |________
   :          |          :
   :        __|__        :
   :        _____ C      : Ua
   :          |          :
   V  ________|________  V


R = 1 kOhm   C = 0,1 µF

Das Verhältnis der Spannungen entspricht dem Verhältnis der Widerstände (Xc=1/iwC):



Für den Betrag und die Phase dieser Funktion ergibt sich:



Im Bode-Diagramm sieht das dann so aus:


Als Signal sehen wir uns mal eine Pseudorechteckschwingung mit einer
Grundfrequenz von 200 Hz mit zehn Oberwellen an:




Mithilfe der Gleichung für die Phase kann nun die jeweilige Phasenlage der einzelnen
Schwingungen berechnet werden. Ohne die Amplitude zu verrechnen, sähe das
Pseudorechteck dann so aus:

Wenn auch interessant, ist das ohne die Berücksichtigung der Verkleinerung
der Amplitude lediglich ein Darstellungstrick.

Das Pseudorechteck sieht nach durchlaufen des Filters also eher so aus:


Wird das Signal durch einen Hochpass mit gleicher Grenzfrequenz gefiltert,
ergibt sich folgendes:


Wenn beide Kurven addiert werden, ergibt sich das ursprüngliche Pseudorechteck wieder.

Und warum haben manche Verstärker damit Probleme und andere nicht?

Ein Verstärker samt Lautsprecher ist ein (gedämpfter) Oszillator.
Als Blockschema kann man sich soetwas vorstellen (entdämpfter Oszillator):



Da das Rückkopplungsnetzwerk komplex ist, nimmt es auch Einfluss auf die Phase.
Bei einer Inversion (Extrem(st)fall) des rückgekoppelten Signals würde aus der
Gegenkopplung eine Mitkopplung werden und der Oszillator würde von selbst
schwingen. Wie zuvor beschrieben, kann ein Verstärker schon bei wesentlich
geringeren Phasenverschiebungen Probleme bekommen.