“TANSTAAFL” There ain’t no such thing as a free lunch (statement i got from B.mcCarthy)   2 comments

Om uit te leggen waarom ik bij 99% van klussen die ik draai een analyzer gebruik om een geluidsysteem te checken en af te regelen moet ik eerst een kleine uitleg geven over de filters die in standaard processors zitten en wat de consequenties zijn van het toepassen van die filters (de filtering is nodig zodat elke speaker dat gedeelte van het frequentie gebied weergeeft waar hij voor gemaakt is) . Om dit uit te leggen gebruik ik in 1ste instantie een programma wat ik tijdens de meyersound seminars heb gekregen van Magu namelijk RBV2-9 . Hierin kan ik de fase en frequentie response simuleren per filter .

In order to explain why i use a analyzer on 99% of the jobs i do it’s paramount to explain a little bit about the filters available in standard processors and the consequences using these filters (filters are necessary in order to divide the signal so that every loudspeaker gets the frequencies it’s build for) . To explain this I’ll first use a simulation program i got during the meyersound seminars from MAGU :     RBV2-9 . With this program i can simulate the frequency and phase response of some filters available in processors .

Allereerst een paar voorbeelden van verschillende filters en de bijbehorende fase response .

First a few examples of different filter orders and the accompanying frequency & phase responses .Butt 1 2 3 4 rt order HP filters  Ik heb hier de response van 4 butterworth High-pass filters gesimuleerd . Blauw = 1ste orde high-pass @ 1kHz . Rood = 2de orde high-pass @ 1kHz . Groen = 3de orde high-pass @ 1kHz . Orange = 4de orde high-pass @ 1kHz . Zoals je ziet verandert de frequentie response bij elk filter en nog belangrijker de fase response verandert ook . Waar je zonder filters een horizontale lijn krijgt die gelijk ligt met de 0° lijn krijg je bij bv. het 1ste orde butterworth filter (blauw) een start punt op 90° wat bij het x-over punt (1kHz) op 45° uitkomt en pas rond 16kHz rond de 0° lijn uitkomt . Daar fase eigenlijk tijd aan geeft gerelateerd aan een frequentie kun je dus concluderen dat het filter vertraging (delay) veroorzaakt en dat die vertraging niet constant is maar geleidelijk af neemt . Dit verschijnsel noemt men group-delay (een gedeelte van het frequentie gebied is dus vertraagd door het filter) . Wat ook opvalt is dat het fase verschil per filter orde toeneemt met 45° (rond het x-over punt) . Dus

I simulated the response of 4 Butterworth high-pass filters . Blue = 1st order high-pass @ 1kHz . Red = 2nd order high-pass @ 1 kHz . Green = 3rd order high-pass @ 1 kHz . Orange = 4rt order high-pass @ 1 kHz . As you can see the frequency response changes with each filter and more importantly the phase response changes also . Where without filters you’d get a flat horizontal line @ 0° with for instance a 1st order filter you get a line starting @ 90° and gradually going down to 45° @ the x-over point and then getting to 0° @ 16 kHz . Since the phase display gives you time over frequency you can conclude that the filter causes delay and that this delay is not constant but decreases gradually . This phenomenon is called group delay (a part of the frequency domain is delayed by the filter) . As you can see the phase difference increases 45° with every order @ the x-over point .

Blauw (Blue)       = 1ste orde high-pass @ 1kHz  = 45°   @ x-over point .

Rood (red)           = 2de orde high-pass @ 1kHz   = 90°   @ x-over point . 

Groen (green)     = 3de orde high-pass @ 1kHz   = 135° @ x-over point .

Orange (orange) = 4de orde high-pass @ 1kHz = 180° @ x-over point .

Als ik nu de delay per filter weer wil geven kan ik binnen RBV group delay simuleren .

And the simulation of group delay per filter .Butt 1 2 3 4 rt order HP filters group delay  Dit is dus de zelfde simulatie alleen geeft het onderste scherm nu de group delay weer per filter . In feite is dit dezelfde informatie als in de voorgaande screenshot alleen anders weergegeven .

The screenshot above is the same as the one before but the bottom screen gives you the group delay per filter (so a different way of looking at the same information).

 Nu dezelfde simulaties maar dan met butterworth low-pass filters met dezelfde kleur coderingen per order .

So now the same simulation as before but now with Butterworth low-pass filters with the same colour coding .Butt 1 2 3 4 rt order LP filters Zoals je ziet wederom de verandering in fase response . Bij het 1ste orde filter (blauw) – 45° bij het 2de orde filter (rood) – 90° bij het 3de orde filter (groen) -135° en bij het 4de orde filter (oranje) 180° . Als ik nu de group delay simuleer zie je gelijk waarom het group delay scherm minder geschikt is om een allignment tussen speakers te doen .

As you can see again the change in the phase display . So blue 1st order -45° @ the x-over point ; red  2nd order -90° @ the x-over point ; green 3rt order –135° @ the x-over point and orange 4rt order -180° @ the x-over point . If put the simulation to group delay you can see why the group delay screen is not really the way to go for alignment .Butt 1 2 3 4 rt order LP filters group delay  Het group delay scherm geeft alleen de vertraging aan  en niet of de fase negatief of positief is . Het group delay scherm maakt ook geen onderscheid in positieve of negatieve polariteit zoals duidelijk wordt in de volgende screenshots .

The group delay screen only gives the delay over frequency and not positive or negative phase . Also it does not give you polarity reversal as i’ll show you in the next 2 screenshots. Butterworth lp 1 2 3 4rt order pol revButterworth lp 1 2 3 4rt order pol rev group delay In de bovenste afbeelding zie je in het onderste scherm dat alle filters polariteit gedraaid zijn . De group delay (onderste afbeelding) is daar in tegen ongewijzigd . Dus samengevat de filters veroorzaken delay n.b. de filters veroorzaken delay aan de onderkant van de frequentie response (de linker kant van de grafiek) . Het group delay scherm geeft alleen de vertraging aan die het filter veroorzaakt en is dus niet echt bruikbaar voor fase allignment en maakt geen onderscheidt tussen positieve polariteit of negatieve polariteit .

In the top screen-shot of the 2 you can see i changed polarity on all 4 filters . The bottom screen does not show any change in the group delay . So to summarize the filters cause delay and cause delay at the low side of the frequency response (the left side of the graphic) . The group delay screen only gives you the delay over frequency caused by the filter and can’t really be used for alignment and doesn’t tell positive or negative polarity .

Nu kom ik dus op een live voorbeeld van een allignment . Een tijdje geleden ben ik ingehuurd om een line array af te meten te weten een SLS set-up . In de processor settings van de fabrikant worden de volgende settings aangeraden .

So no a few examples from the field . Some time ago i got hired to align a SLS line array . The manufacturor recomends the following settings .SLS settings Zo als je ziet wordt er op de mid speaker een 8ste orde LR filter gebruikt en op de hoog driver (ribbon driver) een 4de orde LR filter . Er wordt verder geen melding gemaakt van een polariteit draaiing op de of de hoog of de laag driver . Dit zou je wel verwachten daar het 8ste orde LR filter een fase verschuiving van 360° veroorzaakt en het 4de orde filter een fase verschuiving van 180° . Een verschil van 180° wat dus zou betekenen dat bij 1 van beide de polariteit omgedraaid zou moeten worden . Eerst doe ik de simulatie van beide filters binnen RBV .

As you can see a 8th order linkwitz/riley filter is recommended on the mid driver and a 4rt order linkwitz riley on the high (ribbon) driver . There is no polarity reversal mentioned anywhere although you would expect it because the 8th order filter will give a phase shift of 360° on the mid driver and the 4rt order filter a 180° phase shift on the high driver . A phase difference of 180° .24 lr vs 48 lr phase trace 180°  Zoals je ziet ontstaat er bij deze filter combinatie inderdaad een fase verschil tussen beide drivers van 180° op het x-over punt . Ook zie je dat de hoek waaronder de fase response naar beneden loopt tussen beide filters niet gelijk is . 

As you can see this filter combination gives you a phase difference of 180° @ the x-over point . Also the angles on the phase traces do not match meaning some delay is needed on the highs (blue)24db lr hpvs 48 db lp sum De som van beide filters laat dan ook een gat in de frequentie response zien (te wijten aan het fase verschil van 180° tussen beide filters) .

The sum of both filters has a big dip in the frequency response (due to the phase difference of 180° between both filters)24 lr vs 48 lr phase trace  freq comb filter salved Door de polariteit op het high-pass filter te draaien matchen ze i.i.g. op het x-over punt waardoor het gat in de frequentie response weg valt . Je ziet alleen nog een kleine ”hobbel” in de frequentie response .

By reversing polarity on 1 of the filters (in this case the high-pass filter) both filters align @ the x-over point salving the dip in the frequency response . There only a small bump left in the frequency response .

Maar goed nu dus de live meeting met SIM3 en een dpa 4007 mic. So now a measurement live from the field with SIM3 and a couple of DPA 4007 mics System under test is a SLS8800 set-up of 8 per side / 3 x custom low-mids / 3 clusters of 2 SA subs

Allereerst de meting bij start . First the start of the measurement .01 SIM sls top strt En nu de Mid driver en de high driver met de fase response onafhankelijk van elkaar . Buiten de x-over settings opgegeven door SLS nog geen processing toe gepast (de gebruikte processor is een lake contour) .

So after synchronizing sim3 with a impulse response measurement i take a look at the mids and highs separately . No processing is applied yet except the x-over settings given by the manufacturer (processor used is a Lake Contour).10 SIM sls top high vs mid compare RBV pred Zoals verwacht en zo als je kunt zien staan het MID (blauw) en het hoog (rood) in het SIM3 scherm (bovenste 2 weergaven) 180° uit fase rond het x-over gebied zoals verwacht van uit de predictie van RBV (sorry dat de kleuren hier precies andersom zijn rood voor het mid en blauw voor het hoog) .

As expected and predicted the SIM3 measurement (top 2 graphics of the screen shot) shows a phase difference of 180° @ the x-over point between the mids(blue) and the highs(red) as predicted by RBV (bottum graphic i apologize for the colour coding red=mid blue= high)

Als ik in zoom op het x-over gebied zie je dat de fase lijn van de som (zwart) van de mid en hoog driver (blauw en rood) ergens tussen blauw en rood uitkomt . In het gebied waar de mid driver (blauw) het meeste level heeft (zie result amplitude) neigt de fase lijn van de som naar de mid driver maar zodra de hoog driver (rood) meer level dan de mid driver heeft loopt de fase lijn van de som meer richting de hoog driver . Het is dus een optel som van fase verschil en relatief level tussen de mid en hoog driver .

If i zoom in @ the x-over point you can see the sum of the 2 phase traces ending up somewhere in the middle between the blue and red trace . Where the phase trace ends up depends on the relative level between the red and blue trace (result amplitude screen) and phase .03 SIM sls top high vs mid zoom x-over Uit het fase display bleek dat ik polariteit moest draaien en het hoog een klein beetje delay nodig had . Allereerst dus een polariteit draaiing op het mid .

The phase display showed that 1 of the bands needed polarity reversal and the highs needed a smal amount of delay . So first i reverse polarity at the mid driver .04 SIM sls top high vs mid pol rev Door het toepassen van 0,15ms delay op de hoog driver overlapt de fase response van de mid driver met de hoog driver .

By delaying the highs by 0,15ms the phase of the highs overlap with the mids @ a large area @ the x-over point .05 SIM sls top high 0,15ms delay vs mid pol rev Als ik nu een 2de microfoon verder van de set af zet en een check doe of de allignment ook op grotere afstand klopt krijg je de volgende afbeelding .

So now i take a look with a second mike at some distance from the set-up to see if the alignment holds .05 SIM sls top high 0,15ms delay vs mid pol rev med dist. (zwart = de mid driver in dit geval en blauw de hoog driver) . (black = the mid driver blue = the high driver)

Als ik nu een zoom in doe op het x-over punt zie je dat er optelling plaats vind rond het x-over punt .

If i zoom in @ the x-over point you can see addition (about 6dB) .07 SIM sls top high 0,15ms delay vs mid pol rev zoom x-over mic med dist.  Wat ik dus altijd doe (als het mogelijk is) is een analyzer gebruiken bij de geluidsklussen die ik doe daar er altijd fouten kunnen zitten in een geluidsinstallatie . Of ik SIM3 aansluit hangt een beetje af van het beschikbare budget of de bereikbaarheid van de processor uitgangen daar SIM3 die ook door meet . Als het niet mogelijk is om SIM aan te sluiten heb ik nog de mogelijkheid om 2 andere programma’s te gebruiken namelijk SAT-live of SMAART . Voor fase metingen gebruik ik meestal SAT-live daar de weergave van fase mij meer bevalt dan SMAART . Hier volgt een voorbeeld van een meting met SAT-live .

So doing sound for me means always using a analyzer if possible . Using SIM3 depends on budget and the availability of the processor outputs . If it’s not possible to hook up SIM3 i can use 2 other progams SAT-live or SMAART witch are at my disposal . For phase measurements I’ll mostly use SAT-live because i like the display better than SMAART . So now a example of a measurement with SAT-live .

Allereerst de start van de meting . Start of the measurement .001 Sevensound strt  Zoals je ziet zit er een gat in de frequentie response rond 2kHz . Het fase display geeft rond dit gebied ook een behoorlijke spike weer . Allemaal indicaties dat er een allignment probleem tussen de hoog en de mid driver zit . Als ik nu beide drivers los van elkaar meet zie je duidelijk wat er aan de hand is .

As you can see there is a dip in the frequency response @ about 2 kHz . The phase display also has a bump in the response . Al are indicators that there’s a problem in the alignment between the high and mid driver . If i show the phase response of the high and mid driver separately you can clearly see what’s going on @ the x-over point .002 Sevensound mid vs high   Je ziet dat er een fase verschil rond 2Khz zit de mid driver (oranje) staat rond het x-over gebied tussen 180° uit fase met de hoog driver (groen) .

As you can see there is a phase difference of 180° @ the x-over point between the high(green) and mid(orange) driver .Sevensound mid vs high angles Wat ook opvalt is dat de hoek waaronder de fase lijn van het mid naar beneden loopt niet gelijk is met die van het hoog . Het hoog loopt steiler naar beneden wat aangeeft dat het mid delay nodig heeft t.o.v. het hoog .

What also stands out is the angles of the phase traces . The high have a steeper angle than the mids indicating delay should be applied to the mid driver .Sevensound mid 0.5 ms delay vs high phase display Door het toepassen van 0,5ms delay op het mid komen beide fase lijnen gedeeltelijk over elkaar te liggen en blijven bij elkaar in de buurt over een groot gedeelte rond het x-over punt . Dit zou betekenen dat het gat in de frequentie response opgeheven zou moeten zijn .

By delaying the mid driver with 0,5ms both phase traces align @ a large area @ x-over point solving the dip in the frequency response .005 Sevensound strt vs new setting mid 0.5 ms delay Zoals je ziet is inderdaad het gat in de frequentie response opgeheven en vind er optelling plaats rond het x-over punt .

As you can see the dip is solved and there’s addition @ the x-over point (comb filter = gone) .(small node : the mid driver in this set-up was already delayed with 0,25ms at the start of the measurement . By adding 0,25ms x-tra it alligned with the high driver . 0,25ms = 180° @ 2kHz)

More to follow !!!!

2 responses to ““TANSTAAFL” There ain’t no such thing as a free lunch (statement i got from B.mcCarthy)

Subscribe to comments with RSS.

  1. Timo, “TANSTAAFL” was stolen by Bob McCarthy from Robert Heinlein. “There Ain’t No Such Thing As A Free Lunch” is the motto of the Moonies from the novel “The Moon Is A Harsh Mistress.”

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers liken dit: