Groove Tubes Speaker-Simulator nachgenutzt – Teil II

Zeitsprung – Das Klang­filter

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In diesem zweiten Kapitel des Artikels über die Nachnutzung eines Speaker-Simulators geht es zunächst um die verwendete Schaltung und die zugehörigen technischen Zusammenhänge, bevor anschließend der Umbau und die Nachnutzung des Speaker-Simulators beschrieben werden. 

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Technik & Historie

Zuerst also eine kurze Beschreibung des Lautsprecher­simulations­filter im Groove Tubes STPG-1

Ein solches Filter hat die Aufgabe, die Klangprägungen, die durch den Gitarren­lautsprecher, die Box und das Abstrahl­verhalten des Lautsprechers entstehen, nachzubilden.  Im konkreten Fall ist das Filter, dem technischen Stand und den Möglichkeiten der 80er Jahre entsprechend, als analoges Filter ausgeführt.  Die heute modernen digitalen Convolution-Filter, die die Mehrfachabstrahlung und Überlagerung von Signalen mit unterschiedlicher Laufzeit an oder vor einem Gitarren­lautsprecher digital nachberechnen, waren seinerzeit zu aufwendig bzw. zu teuer – man beschränkte sich deswegen darauf, die entstandenen Frequenzgänge über analoge Filter nachzubilden. 

Dabei sind bei der Simulation des Eigenklangs einer Gitarrenbox grundsätzlich zwei verschiedene Bereiche zu unterscheiden – zum einen die Klangformung der Box insbesondere durch mechanische Gegebenheiten, beispielsweise die Eigenresonanzen des Lautsprechers oder des Boxengehäuses bzw. der eingeschlossen Luft, und zum anderen die erwähnte Klangformung durch das Abstrahlungs­verhalten einer oder mehrerer Lautsprecher. 

Bei erstgenanntem Bereich handelt es sich zu einem guten Teil um Resonanzen, die, wenn man analoge Filter verwendet, durchaus mit mehr oder weniger rückgekoppelten „nachklingenden“ Filter emuliert werden können.  Werden digitale Filter verwendet, bieten sich die ebenfalls rückgekoppelten sogenannten IIR-Filter (ein (theoretisch) unendlich lange nachklingendes Filter

Für den zweiten Teil des Jobs – die Nachbildung der speziellen klanglichen Eigenschaften von Gitarren­lautsprechern (insbesondere das mehr oder weniger starke Heraus­filtern des „Verzerrerkratzens“) sind Resonanz­filter weniger gut geeignet. Hier ist ein technischer Vorgang wichtig, der in der Nachrichtentechnik als Apperturstrahler bezeichnet wird – jeder Teil einer Antenne (wie auch eines Gitarren­lautsprechers ) strahlt das Signal in unterschiedlicher Intensität ab.  Diese Einzelsignale haben jeweils unterschiedliche Entfernungen und Laufzeiten zum Empfänger, so dass sich dort durch Überlagerung Signal­verstärkungen und -abschwächungen ergeben. 

Bei der Antenne (d. h. bei einer Sendefrequenz) bildet sich so eine bestimmte Richtcharakteristik heraus; beim Lautsprecher entsteht neben einer Bündelung insbesondere für die mittleren und hohen Frequenzen des abgestrahlten Signals auch eine bestimmte klangliche Filterung dieser Frequenzen. 

Diese Filterwirkung ist jedoch, im Gegensatz zum Eigenklang von Gitarrenboxen beispielsweise durch Gehäuseresonanzen, ohne „Nachklingen“, wenngleich der entstehende Frequenzgang durchaus harte Kanten haben kann. 

Um diese Filterwirkung mit überschaubarem Aufwand in einem digitalen Filter nachzubilden, muss man das Zusammenwirken der unendlich vielen Einzelabstrahlungen verschiedener Punkte des oder der Lautsprecher durch die Berechnung der Abstrahlung weniger Punkte modellieren, die komplexe Realität sozusagen nur etwas „vereinzeln“.  Dabei kommt im Allgemeinen ein Filter ohne interne Rückkopplungen bzw. Nachklingen, d. h., ein Convolution- oder FIR-Filter (ein Filter mit endlich langer Antwort) zum Einsatz.  Der englische Begriff Convolution-Filter meint, dass mehrere Übertragungswege mit unterschiedlichen Verzögerungen und Pegelabschwächungen zusammengemischt werden.  Die Prinzip eines solchen Filters und die Filterwirkung einer gebündelten Abstrahlung sind sich vom Prinzip hier schon recht ähnlich. 

Soweit zum heutigen Stand der Technik.  In den achtziger Jahren, als der Groove Tubes Speaker-Simulator gebaut wurde, waren digitale Filter für diese Anwendung noch keine bezahlbare Option.  Für die „analoge“ Emulation der Filterwirkung eines Gitarren­lautsprechers wurde erst einmal versucht, Filter zu finden, die eine hohe Filterschärfe in den Höhen (Heraus­filtern des „Verzerrerkratzens“) und in den Bässen (Heraus­filtern des „Subbässe“) mit einem „glatten“ Frequenzgang in den Mitten ohne Überschwingen und einem möglichst „gutmütigen“ Phasengang verbinden. 

Letzteres bedeutet, dass der Phasengang über den gesamten Frequenzbereich möglichst gleichmäßig ist und dass die Phase (und damit auch die Laufzeit) sich nicht um eine bestimmte Frequenz herum sprunghaft ändert, wie das bei „nachklingenden“ Filtern mit Eigenresonanz ist.  Trotzdem muss natürlich der gewünschte Signalanteil (z. B. die oberen Mitten) vom störenden (z. B. Verzerrerkratzen) einigermaßen wirksam getrennt werden, das Filter braucht also eine höhere Trennschärfe. 

Das heißt, einfach mehrere passive Tiefpässe hinter­einander­zuschalten, wie das beispielsweise bei einigen JFET-basierten Verstärker­simulatoren (z. B. dem runoffgroove Eighteen) gemacht wird, um den Klang ein wenig die „Verzerrerschärfe“ zu nehmen, reicht für eine gute Lautsprecher­simulation nicht – das entstehende Filter ist im Amplitudengang zu „unscharf“ (es klingt zu dumpf) und der Übergang zwischen Durchgangsbereich (Mitten und obere Mitten werden durchgelassen) und gesperrtem Bereich („Kratzhöhen“ sollen raus) zu breit. 

Soweit zu technischen Hintergründen bzw. Anforderungen.  Groove Tubes hat sich bei seinem Speaker-Simulator dazu entschieden, die genannten Funktionen (Nachbildung der Gitarrenbox und Heraus­filtern der störenden Frequenzen) in zwei verschiedenen Einzelschaltungen unterzubringen.  Teil 1 des Lautsprecher­simulations­filters beinhaltet ein Hochpass­filter dritter Ordnung (mit einer Grenzfrequenz von etwa 100 Hz) und ein Tiefpass­filter fünfter Ordnung (Grenzfrequenz etwa 4,5 kHz) zur Simulation der Filtereffekte bei der Abstrahlung.  Die Nachbildung von Eigenresonanzen der Box sowie einer gewissen Präsenzanhebung (Teil 2) soll mit einem 5-Band-Equalizer umgesetzt werden. 

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Das Eingangs­filter fürs Verzerrerkratzen

Den ersten Teil des Lautsprecher­simulations­filters zeigt Abbildung 2.1; hinter dem Eingangs­spannung­steiler mit niederohmigen Ausgang (R4-1 und R4-2) folgt das Hochpass­filter, basierend auf einem Operations­verstärker in invertierender Grundschaltung.  Danach, hinter einem Puffer­verstärker, das Tiefpass­filter fünfter Ordnung, dass sich aus zwei rückgekoppelten Tiefpässen zweiter Ordnung und, dazwischen, einem Tiefpass erster Ordnung zusammensetzt. 

Schaltplan

Abb. 2.1:  Teil 1 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker-Simulators – das dreipolige Hochpass­filter (Schnittfrequenz berechnet etwa  105 Hz) für die Bässe und das fünfpolige Tiefpässe (Schnittfrequenz berechnet etwa 4,5 kHz).  Der Operations­verstärker­schaltkreis ist ein TL084

Abbildung 2.2 zeigt den simulierten Amplituden- und Phasengang dieses Teils des Speaker-Simulators.  Es ist zu erkennen, dass die Frequenzen über ≈ 4,5 kHz sehr trennscharf, aber ohne Eigenresonanzen herausge­filtert werden.  Bei der Betrachtung des Phasengangs und seiner konkreten Werte muss man natürlich berücksichtigen, dass das Hochpass­filter auf einem Operations­verstärker in invertierender Grundschaltung beruht, die „normale“ Phasen­verschiebung des gesamten Teils 1 des Lautsprecher­simulations­filters ist also gleich 180° (bei einer Frequenz von etwa 500 Hz).  Der Phasengang sieht recht homogen aus, an den Schnittfrequenzen entstehen die der Ordnung der Filter entsprechenden Phasenverzögerungen – beim Hochpass dritter Ordnung ist φ = 180° − 3 ⋅ 45° = 45°, beim Tiefpass fünfter Ordnung ist φ = 180° + 5 ⋅ 45° = 405°,

EXCEL-Diagramm

Abb. 2.2:  Simulierter Frequenzgang des Teils 1 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker-Simulator. 

Für die Darstellung und Ableitung der Theorie der verschiedenen Filter, deren Berechnung und Darstellung (Laplace-Transformation, Pol-Nullstellen-Plan) sei auf entsprechende Darstellungen in der Fachliteratur verwiesen, das ist, im Gegensatz zur Simulation von Gitarrenboxen, nichts Gitarren­spezifisches.  Ebenso verwiesen ist noch einmal auf die Patentschrift von Groove Tubes, zu finden auf den Seiten von AMZ (siehe www.muzique.com/misc/patents.htm – dort nach dem Patent 43 suchen. )

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Fünf-Band-EQ und Kopfhörertreiber

Nun zum Teil 2 des Lautsprecher­simulations­filters, dem 5-Band-Equalizer.  Abbildung 2.4 zeigt den Schaltplan einer Stufe des Equalizers, entnommen der Darstellung in der Patentschrift, während Tabelle 2.1 die Frequenzen und die jeweiligen Werte der beiden Kondensatoren C6-1 und C6-2 auflistet. 

Schaltplan

Abb. 2.3:  Teil 2 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker-Simulators – ein fünffach-Equalizer und ein Treiber­verstärker für einen Line-Ausgang.  Die Operations­verstärker­schaltkreise sind ein TL084 (Filter 1–4) und ein NE5532 (Filter 5, Ausgangstreiber).  Letzterer besitzt kleinere innere Ausgangswiderstände als der TL08x, d. h., er kann auch bei größerer Aussteuerung stabil größere Ströme liefern als der TL08x – zum Beispiel, um einen Kopfhörer anzutreiben.  Die Potentiometer sind Trimmer. 

Tab. 2.1:  Kondensatorwerte für die fünf EQ-bänder des Groove Tubes Speaker-Simulators.
Mittenfrequenz des Filterbands: 
fcenter
C6-1 C6-2
200 Hz 10 nF 50 nF
440 Hz 10 nF 10 nF
880 Hz5,6 nF5,6 nF
1,8 kHz2,7 nF2,7 nF
3,5 kHz1,5 nF1,5 nF

Das ist im Wesentlichen eher unspektakuläre Schaltungstechnik, die resultierenden Amplituden- und Phasengänge zeigen die Abbildungen Abbildung 2.4 und Abbildung 2.5.  Auffällig dagegen ist, dass das erste Band mit einer Mittenfrequenz von 220 Hz anders dimensioniert ist, es hat einen größeren wirksamen Frequenzbereich und überdeckt das zweite Band.  Möglicherweise sollte hier durch gleichzeitige und geringere Anhebung in beiden Bändern der Gesamtphasengang im Bereich der unteren Mitten etwas ausgeglichen werden. 

EXCEL-Diagramm

Abb. 2.4:  Simulierter Amplitudengang der Einzel­filter des Teils 2 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker-Simulators.  Die Amplitudengänge der einzelnen Filter sind in Reihenfolge von deren Mittenfrequenz mit den Farben rot, grün, braun, blau und gelbbraun gekennzeichnet – die Anhebungen mit Strichlinien, die Absenkungen mit Punktlinien. 

Im Diagramm des Phasengangs sind nur die Bänder 1 (220 Hz) und 2 (440 Hz) dargestellt, da sich alle anderen Bänder, abgesehen von der Mittenfrequenz, nicht von Band 2 unterscheiden. 

EXCEL-Diagramm

Abb. 2.5:  Simulierter Phasengang zweier Einzel­filter des Teils 2 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker-Simulators.  Die Amplitudengänge der Filter 1 und 2 sind rot und grün, gekennzeichnet – die Phasengänge der Anhebungen mit Strichlinien, die der Absenkungen mit Punktlinien.  Im Hintergrund grau die Amplitudengänge der beiden Einzel­filter. 

Der Hersteller hat den 5-Band-Equalizer voreingestellt und die Einstellungen der Trimmpotentiometer mit Farbe gesichert – die Patentschrift stellt dazu einen Frequenzgang ähnlich dem einer „großen“ Gitarrenbox dar – eine kräftige Anhebung in den unteren Mitten (100–500 Hz) und in den Höhen (3,5 kHz) sowie eine Absenkung der oberen Mitten (Bereich 1–2 kHz), wobei das Diagramm keine pegelmäßige Normierung enthält. 

Last but not least folgt dem Equalizer noch eine invertierende Verstärkerstufe, die die oben genannte Invertierung im Hochpass ausgleicht und die über ein sechstes Trimmpotentiometer eine abschließende Einstellung des Ausgangspegels ermöglicht. 

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Versorgungsfragen

Noch kurz zur Spannungs­versorgung des Lautsprecher­simulations­filters innerhalb des Verstärkers STPG-1.  Dessen Netztransformator hat eine zusätzliche Wicklung 16 V Wechsel­spannung. Diese wird auf der Netzteilplatine des Verstärkers gleichgerichtet und erst einmal geglättet; auf der Platine des Lautsprecher­simulations­filters erfolgt die Bereitstellung der symmetrischen Betriebs­spannung für die Operations­verstärker über zwei „Dreibeiner“.  Auch hier im wesentlichen Dienst nach Vorschrift; hinter den Dreibeinern liegen je zwei Siebkondensatoren 100 nF, ausgerechnet in Folie (Wima).  Möglicherweise waren die billig, weil ohnehin in Stückzahl verfügbar.  (Hier verwendet man besser Keramik­kondensatoren; erstens müssen die Kondensatoren nicht „klingen“ und zweitens sagt man den Folienkondensatoren aufgrund ihrer Wicklungs­induktivität eine weniger gute Filterwirkung nach.)

Schaltplan

Abb. 2.6: Originale Netzteilschaltung für den Speaker-Simulator des Groove Tubes STPG-1.  (Es muss natürlich OPV+15V und nicht PV+15V heißen.)

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Neues Netzteil, neue Eingangsschaltung, neues Gehäuse

Zur Verfügung standen zwei „umbaubare“ Steckernetzteile Telekom / Siemens von alten Anrufbeantwortern (eines als Reserve).  Ausgewiesen waren zwei Sekundär­spannungen – einmal 9 V Wechsel­spannung und einmal 7,5 V pulsierende Gleich­spannung, jeweils mit einem Maximal­strom von 0,25 A; beide zusammen herausgeführt über ein vierpoliges Kabel mit RJ45-Stecker.  Die Trafos hatten je zwei Sekundär­wicklungen 9 V, wobei eine Wicklung über eine diskret aufgebaute Graetzbrücke (4 x 1N4007) gleichgerichtet wurde. 

Kurz und gut – die Graetzbrücken wurden entfernt, ebenso die Stecker am Kabelende.  Beide Wicklungen, die dort separat voneinander anlagen, wurden in Reihe geschaltet und auf einen (warngelben) axialen Netzteilstecker gelötet.  Am diesem Stecker liegen jetzt also 18 V Wechsel­spannung an; ein weiterer Warnhinweis wurde am Stecker angebracht (Für den Menschen sind 18 V Wechsel­spannung nicht lebensgefährlich, für ein übliches Bodeneffektgerät schon). 

Da der verwendete Netztransformator mit ein paar Operations­verstärkern nicht einmal im Ansatz ausgelastet ist und das Netzteil auch, wenn man beide Wicklungen in Reihe schaltet, eine rechte hohe Wechsel­spannung von 18 V (unbelastet etwa 25 V Gleich­spannungs­spitzenwert) liefert, hier also noch „jede Menge Luft ist“, wurden beide Betriebs­spannungen der Einfachheit halber mit zwei Dioden direkt aus je einer Halbwelle der vom Trafo kommenden Spannung erzeugt.  Die Netzteil­kondensatoren hinter den Dioden sind allerdings etwas größer ( im STPG-1 2 × 320 µF und in der Nachnutzung 2 × 1220 µF). 

Schaltplan

Abb. 2.7: Netzteilschaltung für den nachgenutzten Speaker-Simulator des Groove Tubes STPG-1 mit einem Siemens / Telekom-Stecker­netzteil 2 × 9 V.  (Bei den Gleichrichterdioden handelt es sich um zwei 1N4007)

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Praktischer Aufbau

Die im vorherigen Kapitel angedachte neue Eingangsschaltung wurde übernommen, siehe die folgende Abbildung 2.8

Schaltplan

Abb. 2.8: Umbauten am nachgenutzten Speaker-Simulator des STPG-1 von Groove Tubes; die Eingangsschaltung wurde durch einen Spannungs­teiler / Tiefpass, etwa wie im vorherigen Kapitel berechnet, ersetzt. 

Leider gibt es in PSPICE keine Symbole für eine „Ampstyle“-Klinkenbuchse, deswegen hier eine Skizze der Verschaltung nebst verbaler Erläuterung:  Das Signal im Line-Eingang läuft von der Spitze des Klinkensteckers, vom oberen Kontakt „Spitze“ (die Verbindung selbst ist unterbrochen, wenn ein Stecker in der Buchse steckt) über den Spannungs­teiler und Tiefpass R4-2-a (2,2 kΩ), R4-2-b (1 kΩ) und C99 (68 nF) in den Eingang der Filterschaltung.  R4-2-a (2,2 kΩ), R4-2-b (1 kΩ) und C99 (68 nF) (sowie R4-1) bilden einen Tiefpass erster Ordnung mit einer 3dB-Frequenz von knapp 4 kHz.

Wird das Signal hingegen über die Lautsprecherbuchse durchgeschleift und der Line-Eingang nicht benutzt, entsteht ein stärker dämpfender Spannungs­teiler R4-1 (5,1 kΩ) zu R4-2-b (1 kΩ) parallel R4-2-x (2,2 kΩ) (R4-2-a ist kurzgeschlossen) parallel C99 (68 nF), also auch hier ein Tiefpass erster Ordnung mit einer 3dB-Frequenz von knapp 4 kHz.

Wird die Laut­sprecher­ausgangs­buchse nicht verwendet, wird das Signal am Lautsprechereingang auf eine Parallelschaltung mehrerer Lastwiderstände ( RL1 mit 10 Ω / 25 W sowie RL2 und RL3 mit jeweils 100 Ω / 5 W) mit einem Gesamt­widerstand von etwa 8Ω und einer Belastbarkeit von etwa 30 W geleitet. 

Zur praktischen Realisierung: Die Bauelemente R4-2-b, R4-2-x, R4-2-a und C99 sind direkt auf die Ampstyle-Klinkenbuchse des Line-Eingangs gelötet – R4-2-a über dem Schaltkontakt an der Steckerspitze, R4-2-b parallel C99 sowie R4-2-x jeweils diagonal unter der Buchse.  Diese Verschaltung ersetzt den unteren Widerstand des Eingangs­spannungs­teilers R4-2 auf der ersten Platine des Speaker-Simulators. 

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Filtereinstellung

So weit, so gut.  Als alles halbwegs funktionierte, musste der 5-Band-EQ (Filter 2) allerdings noch einmal neu eingestellt werden, der gemessene Frequenzgang passte so gar nicht zu dem in der Patentschrift dargestellten.  Dazu gestaltete sich die Einstellung dieses Filters 2 dabei eher unübersichtlich; die Einzel­filter schienen zur Festlegung eines solchen Frequenzganges (starke Anhebungen und Absenkung in sehr nahe beeinanderliegenden Frequenzbereichen) wenig geeignet. 

Dieses Problem soll anhand der folgenden Abbildung 2.9 erläutert werden. 

EXCEL-Diagramm

Abb. 2.9: Simulierter Amplitudengang eines der Einzel­filter des Teils 2 der Filterschaltung im Groove Tubes Speaker Simulator – Amplitudengang in Abhängigkeit von der Potentiometer­stellung.  Die wesentlichen Veränderungen spielen sich an Anfang und Ende des Reglerweges ab.

Die Abbildung zeigt den (Amplituden)­frequenzgang eines der Einzel­filters des Filters 2 in Abhängigkeit von der Einstellung des Potentiometers.  Es wird deutlich, dass sich sowohl Güte als auch Mittenfrequenz abhängig von der eingestellten Anhebung / Absenkung ändern (und sich die Änderungen auch auf den Rand des Reglerweges konzentrieren).  Weiterhin greift das Filter insbesondere bei geringen Anhebungen / Absenkungen sehr „breit“ in den Frequenzgang ein, so dass sich die Filter stark gegenseitig beeinflussen, wodurch sich hier entweder nur sehr grobe Einstellungen vornehmen lassen (z. B.: alle Bässe und unteren Mitten gemeinsam anheben), oder sich Einstellungen benachbarter Filter tendenziell aufheben. 

Nach längeren Probieren im Simulations­programm wurde folgende Strategie ausprobiert: mit beiden äußeren Filtern (220 Hz und 3,5 kHz) werden Bässe und Höhen stark bis maximal angehoben (Potis jeweils bis fast auf 1), während in den danebenliegende Filter (440 Hz und 1,8 kHz) untere bzw. obere Mitten „herausgedreht“ wurden.  Das Poti des mittleren Filters (880 Hz) kam in Mittelstellung.  Letztendlich wurde – bis auf Weiteres – ein Gesamt­amplituden­frequenz­gang wie in Abbildung 2.10 eingestellt. 

EXCEL-Diagramm

Abb. 2.10: Gemessene Amplitudengänge (Messungen im Terzabstand; 23 Messungen) des Speaker-Simulators.  Gemessen wurde hinter der ersten Platine (Eingangstiefpass und Filter 1) und am Ausgang (alle Filter).  Die Amplitudengänge wurden auf eine Verstärkung von eins bei 1 kHz normiert.  Der Amplitudengang des Filters 2 (gepunkteter Graph) wurde berechnet. 

Die praktische Anwendung muss zeigen, ob dieser Frequenzgang „klanglich funktioniert“.  Eine „ergonomische Herumschrauberei“ verbietet sich allerdings weitgehend, dazu ist das grundlegende Design dieses Filters 2 nicht in ausreichendem Maße geeignet. 

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