home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Tech Arsenal 1 / Tech Arsenal (Arsenal Computer).ISO / tek-20 / spkdsn_2.zip / ALPHA.ZIP / XC.SCR < prev    next >
Text File  |  1985-04-05  |  36KB  |  742 lines

  1. .W:60
  2. .L:60
  3. .J:8
  4. .H: ...Page $$$
  5. .H:
  6.                    Loudspeaker Crossovers
  7.                      What They Should Do
  8.                      and How to Get Them
  9.                           To Do It
  10.  
  11. 0.   Abstract.
  12.  
  13. Crossover  network  technology  has  undergone  considerable 
  14. change in the last 10 years.  Since there are still a lot of 
  15. loudspeaker  systems  built  with  what  amount  to  be  old 
  16. fashioned crossovers,  discussion of the "new" technology is 
  17. seems to be in order.  
  18.  
  19. I.  Tasks for the crossover network.  
  20.  
  21. Crossover  networks  must  do at least three things to be at 
  22. all  effective.   They  are:   route  signals  in  different 
  23. frequency  ranges  to different drivers,  maintain desirable 
  24. phase relationships between acoustical outputs of individual 
  25. drivers,  and compensate for differing driver  efficiencies.  
  26. If any of these requirements are not met, the over-all sound 
  27. quality  of the resulting loudspeaker system is likely to be 
  28. severely  compromised.   Let's  look  at  the   requirements 
  29. individually: 
  30.  
  31.     
  32. Requirement  1.  Route  signals  at  in  different frequency 
  33.         ranges to different loudspeaker drivers.  
  34.  
  35. Loudspeaker  system  quality  is  based  on  wide  frequency 
  36. response range, smooth response, small size, low distortion, 
  37. good dynamic range, and low cost.  To date, no single driver 
  38. system   has   been   developed   that   has    all    these 
  39. characteristics.  Systems  composed of multiple drivers seem 
  40. to come closer to the ideal, but they introduce the need for 
  41. crossover  networks  to  divide  the  input  signal  between 
  42. drivers operating in two or more frequency ranges.  
  43.  
  44. The signal is divided between drivers operating in different 
  45. frequency  ranges,  to  avoid wasting amplifier power and to 
  46. avoid feeding signals to  drivers  that  may  disrupt  their 
  47. operation. If significant power in a range of frequencies is 
  48. absorbed  by a driver that is not an efficient transducer in 
  49. that frequency range, then the power is wasted.  If a driver 
  50. receives significant amounts of power in ranges where it has 
  51. poor  power  handling capacity,  then the driver's operation 
  52. will be disrupted.  
  53.  
  54.  
  55. Requirement 2.  Maintain desired phase relationships between 
  56.         acoustical outputs of individual drivers.  
  57.  
  58. There  are  two  reasons  to  try  to maintain desired phase 
  59. relationships between the acoustical output of the  drivers: 
  60. one that is obvious, but sonically irrelevant;  and one that 
  61. is not so obvious, and is important to sound quality.  
  62.  
  63. An   obvious   reason   for   maintaining   desired    phase 
  64. relationships  between  the  acoustic  output  of individual 
  65. drivers is to control the over-all  phase  response  of  the 
  66. loudspeaker  system.  Controlled listening tests have failed 
  67. to show any reason to be interested in system phase response 
  68. above  1  kHz.   In  addition,  controlled  tests  that  are 
  69. presented  as  being  positive  for  the audibility of phase 
  70. response  below  1  kHz  relied  on  esoteric,   non-musical 
  71. signals,  and  still did not develop results with 99 percent 
  72. confidence that  they  were  not  due  to  random  guessing.  
  73. Therefore,   over-all  system  phase  response  is  at  best 
  74. marginally related to listening quality.  
  75.  
  76. A less-obvious reason for maintaining desired phase response 
  77. is to control system directivity  through  frequency  ranges 
  78. where  two or more drivers have significant acoustic output.  
  79. When there are two acoustical signals radiated from  drivers 
  80. into  a common space,  but one acoustical signal has lagging 
  81. phase with respect to the other,  the joint coverage pattern 
  82. will  be  tilted  toward the lagging driver.  This situation 
  83. causes dips in  the  on-axis  frequency  response  vis-a-vis 
  84. power response.  
  85.  
  86. It is therefore highly desirable to control the phase of the 
  87. acoustic  output  of  the  various  drivers  to  be in phase 
  88. through the crossover regions.  If two or more drivers  have 
  89. significant   acoustical  output  at  some  frequency,   the 
  90. acoustic  outputs should be,  ideally,  in phase.  There are 
  91. three sources of phase differences  between  drivers,  which 
  92. are  the  phase  response  of the drivers themselves,  phase 
  93. differences due to the relative positioning of the  drivers, 
  94. and phase differences due to the crossovers.  
  95.  
  96.  
  97. Requirement 3. Compensate for differing driver efficiencies.  
  98.  
  99. It is not likely that drivers will have the same  efficiency 
  100. unless  they  are designed for use with each other.  Woofers 
  101. tend to be inefficient,  while tweeters are relatively  easy 
  102. to  make  efficient.  Most  systems  include some prevision, 
  103. fixed,   variable,   or  trimmable;  for   matching   driver 
  104. efficiencies.  Because  woofers  usually demand a low source 
  105. impedance,  padding down the woofer to match the tweeter  is 
  106. almost  never  done.  The  converse is common.  In addition, 
  107. drivers  tend  to  be  a  little  non-uniform,   and  system 
  108. performance  may be optimized by adjustment of the completed 
  109. system in the acoustical environment in  which  primary  use 
  110. takes place.  
  111.  
  112.  
  113. B. Things that are nice to have done: 
  114.  
  115. When building complex systems,  it is very helpful if one or 
  116. more components in the system are able  to  accommodate  the 
  117. peculiarities  of other components.  Crossovers may have the 
  118. potential  to  compensate  for   driver   and/or   enclosure 
  119. deficiencies,  facilitate  use of cost-effective amplifiers, 
  120. reduce "Up-front"  design  work,  and  reduce  "Cut-and-try" 
  121. elsewhere in the system.  
  122.  
  123.  
  124. Accommodation  1:  Compensate  for  driver  and/or enclosure 
  125. deficiencies.  
  126.  
  127. Many drivers have desirable  characteristics  such  as  good 
  128. power handling capacity and smooth response,  but lack other 
  129. desirable  characteristics  such as flat frequency response.  
  130. Crossover designs  usually  assume  ideal  driver  response. 
  131. However,  it is often convenient to include equalization for 
  132. driver characteristics "In the same box" as the crossover.  
  133.  
  134. A most common,  but highly intractable  enclosure  fault  is 
  135. positioning  of  of  drivers in ways that create significant 
  136. phase shift. This situation is often described as: "mounting 
  137. drivers with non-coincident acoustic centers".  Often, it is 
  138. difficult  to  position drivers ideally because doing so may 
  139. create  obstructions  in  the  radiation  pattern  of  other 
  140. drivers  in  the  system.  Crossover  designs usually assume 
  141. ideal positioning of the drivers, but it is often convenient 
  142. to include equalization for  enclosure  characteristics  "In 
  143. the same box" as the crossover.  
  144.  
  145.  
  146. Accommodation   2:    Facilitate   use   of   cost-effective 
  147. amplifiers.  
  148.  
  149. Power amplifier costs are often  a  non-linear  function  of 
  150. their  power  output.  In addition,  there is a "Barrier" of 
  151. sorts that makes amplifiers with power output much in excess 
  152. of  400  watts  per  channel  into  8 ohms much less common.  
  153. Integrated circuits that would make  power  amplifiers  more 
  154. economical are currently limited in power to the 20-30  watt 
  155. per channel range.  Therefore,  a crossover that permits use 
  156. of amplifiers whose power rating allows them to be more cost 
  157. effective can provide  benefits  that  offset  some  of  the 
  158. crossover's cost.  
  159.  
  160. Individual  loudspeaker drivers are not the easiest load for 
  161. amplifiers to drive.  Unfortunately,  some crossover designs 
  162. make  the situation worse.  In contrast,  other designs help 
  163. minimize   amplifier   quality   requirements.    Therefore, 
  164. reducing  power  amplifier  size and quality is a desirable, 
  165. and possible accommodation of the crossover network.
  166.  
  167.  
  168. Accommodation 3: Reduce "Up-front" design work.  
  169.  
  170. Loudspeaker system design requires knowledge of a wide range 
  171. of technologies, from the disciplines of both mechanical and 
  172. electrical  engineering,  including  both static and dynamic 
  173. system analysis.  
  174.  
  175. Crossovers, as components, can reduce the span of technology 
  176. required of the system designer,  when they are pre-packaged 
  177. solutions.  However,  poorly  designed components can create 
  178. more problems than they solve.  
  179.  
  180.  
  181. Accommodation  4:  Reduce  "Cut-and-try"  elsewhere  in  the 
  182. system.  
  183.  
  184. If a crossover design makes over-all system performance less 
  185. sensitive  to  parameters that are hard to control,  then it 
  186. reduces the need for final "tweeking".  
  187.  
  188. In addition, the crossover can include electrical adjustment 
  189. capabilities that provide the same  function  as  mechanical 
  190. adjustments.  For  example,  it  is possible to electrically 
  191. adjust the location of acoustic centers,  by providing small 
  192. amounts of time delay via all-pass filters.  
  193.  
  194.  
  195. II.  Alternative crossover designs.  
  196.  
  197. Historically  there  have  been many alternative designs for 
  198. crossovers that have been selected from.  In some cases,  it 
  199. has been only recently that the full implications of certain 
  200. choices has been understood.  
  201.  
  202.  
  203. Alternative A: 6 dB/octave filters.  
  204.  
  205. The most common,  and simplest possible crossovers are the 6 
  206. dB/octave filters.  In the case of a woofer  with  carefully 
  207. chosen  voice coil inductance,  and a piezoelectric tweeter, 
  208. this type of crossover may be achieved  with  no  additional 
  209. electrical components.  
  210.  
  211. Filters  of  this  variety  spread the range of simultaneous 
  212. operation  of  adjacent  drivers  over  a  wide  range.   In 
  213. addition,  there  is  a  90  degree  phase shift between the 
  214. electrical signal applied to the drivers at all frequencies.  
  215. When combined with an additional 90  degree  or  more  phase 
  216. shift  in the crossover region due to driver phase shift,  a 
  217. situation  is  created  where  best  performance  is   often 
  218. obtained when the drivers are wired out of phase.  
  219.  
  220. When it is desired to obtain  a  6  dB/octave  filter  using 
  221. passive crossover designs, care must be taken to ensure that 
  222. variations   in   driver   voice   coil   impedance  do  not 
  223. significantly modify or totally wipe out the effect  of  the 
  224. electrical components in the crossover.
  225.  
  226.  
  227. Alternative B: 12 dB/octave Butterworth filters.  
  228.  
  229. 12  dB Butterworth,  or maximally-flat filters are the usual 
  230. next step up  in  sophistication.  Sometimes  12  dB  octave 
  231. low-end  roll-offs can be obtained as inherent properties of 
  232. the drivers.  Some horn-loaded,  or sealed box designs  with 
  233. their resonant frequency at the crossover frequency, and a Q 
  234. near 1.414,  result in an upper driver crossover  with  this 
  235. characteristic. Similarly, by allowing the woofer voice coil 
  236. to  decouple  from the diaphragm with appropriate mechanical 
  237. Q, this characteristic is obtained in the low frequency side 
  238. of the system without additional electrical components.  
  239.  
  240. Passive  12  dB  octave  designs  will  have  twice  as many 
  241. components as 6 dB crossovers,  and are  also  significantly 
  242. affected by driver impedance characteristics. This is a nice 
  243. way  of  saying  that  some  passive  "12  dB"  designs  are 
  244. effectively "6dB" designs because they do  not  correct  for 
  245. driver impedance characteristics.  
  246.  
  247. The   electrical  outputs  of  the  usual  "Butterworth"  12 
  248. dB/octave crossovers are usually 180 degrees  out-of  phase.  
  249. There  is  often  an  additional 90 or more degrees of phase 
  250. shift due to the drivers.  Thus there is a total of  270  to 
  251. 360 degrees of phase shift between the acoustical outputs of 
  252. the  drivers.  The  flattest  frequency  response is usually 
  253. obtained with the drivers wired in phase.  
  254.  
  255. 12 dB octave crossovers  have  reasonably  narrow  areas  of 
  256. overlap of adjacent drivers.  They are used with horn-loaded 
  257. tweeters to minimize distortion due to operation  below  the 
  258. flare cut-off frequency.  
  259.  
  260.  
  261. Alternative C. 18 dB/octave Butterworth filters.  
  262.  
  263. Crossovers  with  higher slopes than 12 dB/octave are almost 
  264. always  implemented  actively.  High  slopes  obtained  with 
  265. these crossovers do a good job of minimizing both the region 
  266. of  driver  overlap  and out-of band electrical input to the 
  267. drivers.   The  electrical  inputs  to   the   drivers   are 
  268. approximately 270 degrees out-of phase.  This is essentially 
  269. a throw-back to the 6 dB/octave case,  in  terms  of  phase.  
  270. When  the  drivers  are connected out-of-phase,  a degree of 
  271. phase linearity is obtained in the summed response,  were it 
  272. not for the additional phase shift of the drivers.  
  273.  
  274. Alternative D. All-pass designs: 
  275.  
  276. All  of  the  crossover designs described so far are minimum 
  277. phase.  This means that the  phase  characteristics  of  the 
  278. summed  response  of  high and low pass sections has a phase 
  279. response that  is  related  to  amplitude  response  by  the 
  280. Hilbert transform.  For those who are not totally conversant 
  281. with calculus this year, minimum phase means that the if you 
  282. equalize the frequency response to be perfectly flat at  all 
  283. frequencies,  the  phase  response  will  also  be perfectly 
  284. equalized.   Furthermore,  the  equalizer  will  be  itself, 
  285. minimum phase.  
  286.  
  287. Two points about minimum phase are important. First, drivers 
  288. that  do  not  operate  in diaphragm break-up mode are often 
  289. minimum phase,  as are  some  drivers  that  do  operate  in 
  290. break-up  modes.  Loudspeakers with whizzer cones are almost 
  291. never minimum phase. Secondly, while common loudspeakers can 
  292. be thought of being minimum phase,  systems of two  or  more 
  293. minimum  phase  loudspeakers  are  not  often  minimum phase 
  294. because it is  difficult  for  two  loudspeaker  drivers  to 
  295. perform  as  if  they  occupied  the  same space.  Since the 
  296. drivers are displaced from each other,  there are time delay 
  297. differences  off-axis.  Time  delay  is  not a minimum phase 
  298. effect.  
  299.  
  300. All-pass crossovers cannot be equalized to have  both  ideal 
  301. frequency  and  phase  response  in the summed response with 
  302. common minimum phase equalizers.  This  begs  the  question: 
  303. "Does anybody hear the difference." The answer is: "Probably 
  304. not." The most significant benefit of all-pass crossovers is 
  305. that in many cases.  it is possible to  get  the  acoustical 
  306. outputs  of  the  lower  and  upper  drivers to be in phase.  
  307. All-pass crossovers are readily constructed by cascading two 
  308. Butterworth filters.  
  309.  
  310.  
  311.      1.  12 dB/Octave all pass  crossovers  are  created  by 
  312. cascading  two  6  dB/octave filters in such a way that they 
  313. are electrically buffered from each other, and do not affect 
  314. each others response through loading. The electrical outputs 
  315. of the crossover are 180 degrees apart at  all  frequencies.  
  316. If  the  drivers  are  wired  out of phase,  they will be in 
  317. phase. As usual, driver phase response will affect the phase 
  318. of the acoustical outputs.  
  319.  
  320.      2.  24 dB/Octave all pass  crossovers  are  created  by 
  321. cascading  two  12 dB octave filters in such a way that they 
  322. do not affect each other's response.  The electrical outputs 
  323. of  the crossover are 360 degrees at all frequencies,  which 
  324. is very similar to being in-phase.  In addition,  the  sharp 
  325. slopes   minimize   driver  overlap,   and  avoid  providing 
  326. significant  out-of band inputs to the drivers.  The cascade 
  327. of two 12 dB/octave filters can often be  obtained  using  a 
  328. combination of driver roll-off characteristics,  which often 
  329. have  12  dB/octave  slopes,   and  a  single  12  dB/octave 
  330. electrical filter.  
  331.  
  332.  
  333. Linkwitz   of   Hewlett-Packard   described   the  desirable 
  334. mathematical properties of 24 dB/Octave crossovers in  1976.  
  335. His  associate,  Riley  described  their  implementation  in 
  336. common Sallen and Key type op-amp filters at the same time.  
  337.  
  338.  
  339.      3.   Phase   compensation  of  3-way  and  up  all-pass 
  340. crossovers.  Because of the  residual  phase  shift  of  one 
  341. crossover point,  phase compensation is required to preserve 
  342. desirable  over-all  phase   characteristics   of   all-pass 
  343. crossovers  operating  with  more  than  two  bands.   As  a 
  344. practical matter,  3-way  designs  have  marginal  need  for 
  345. compensation, but frequency response variations of from 1 to 
  346. 10 dB,  or more will be caused by leaving phase compensation 
  347. out of crossovers with from 4 or more bands.  
  348.  
  349. Phase compensation also depends on how the crossover is laid 
  350. out.  With three way crossovers the system can be  built  as 
  351. three filters:  a high pass filter, a low pass filter, and a 
  352. band   pass  filter;   or  it  can  be  composed  of  a  low 
  353. pass-high-pass filter pair,  which has  one  output  further 
  354. divided  by  another  filter  pair.  The  latter is a "Tree" 
  355. configuration,  and is preferable to minimize the  need  for 
  356. additional phase compensation.  
  357.  
  358. With more bands,  several different lay outs  are  possible.  
  359. D'Appolito  pointed  out  that the ones that are shaped like 
  360. trees have fewer parts and are easier  to  phase  compensate 
  361. than the ones that are laid out as a series of parallel band 
  362. pass filters.  
  363.  
  364. As previously noted,  some loudspeaker drivers have the same 
  365. response as 12 dB octave electrical filters. Therefore, with 
  366. some sacrifice in power-handling capacity,  an acoustical 24 
  367. dB  octave  all-pass  crossover  can  be  obtained  using  a 
  368. combination   of  electrical  and  mechanical  12  dB/octave 
  369. filters  From  the  standpoint  of  on-axis   and   off-axis 
  370. frequency response,  this is ideal,  and reduces the cost of 
  371. the crossover itself.  
  372.  
  373.   E. Delay-derived filters. One way to minimize the parts in 
  374. a crossover is  to  develop  one  filter  characteristic  by 
  375. subtracting  the  output  of one filter from its input.  The 
  376. elegance of this technique is upset by  the  fact  that  the 
  377. output of the crossover that is derived by subtraction has a 
  378. very gentle slope, often as gentle as 3 dB per octave.  
  379.  
  380. This  situation has been mathematically analyzed by Lipshitz 
  381. and Vanderkooy,  who found that the gentle slope is due to a 
  382. time delay inherent in a minimum phase filter.  For example, 
  383. a low pass filter with a corner frequency of 1  kHz  has  an 
  384. approximate time delay of approximately 1 millisecond at all 
  385. frequencies  below  2  kHz.  This  makes it difficult to get 
  386. total cancellation at the output of the subtraction circuit.  
  387.  
  388. One solution, totally obvious in retrospect, but requiring a 
  389. lot of thought moving forward  in  time,  is  to  delay  the 
  390. unfiltered path.  Unfortunately,  pure time delay is hard to 
  391. achieve at this time.  An unexpected  result  is  that  some 
  392. forms  of  this filter have a linear phase characteristic in 
  393. their summed response.  For example,  a filter  utilizing  a 
  394. fifth-order  Bessel  filter,  and appropriate time delay has 
  395. almost as good off-axis response as a 24 dB octave  all-pass 
  396. design. The advantage is that the over-all summed electrical 
  397. response is linear phase.  
  398.  
  399. There is  some  question  whether  this  ideal  mathematical 
  400. characteristic   has   audible   significance.   Of  course, 
  401. implementing   such   a   filter   with   good    distortion 
  402. characteristics  will  cost  hundreds  instead  of  tens  of 
  403. dollars per crossover point.  
  404.  
  405.   F. Driver Frequency response correction.  
  406.  
  407. It  is  unlikely  that  anybody  who   does   not   actually 
  408. manufacture drivers would be able to develop a collection of 
  409. drivers with complementary response.  Furthermore,  doing so 
  410. might  involve  considerable  sacrifice  of  power  handling 
  411. capacity.  
  412.  
  413. In general, there are two approaches to this problem. One is 
  414. to  select  drivers  that  are flat about an octave past the 
  415. crossover point,  and accept  the  resultant  minimal  phase 
  416. shift.  The  other  is  to provide a minimum phase equalizer 
  417. that provides the desired response.  Zaustinsky suggests the 
  418. use  of  selectively  combined  outputs of an state-variable 
  419. filter to transform the acoustic response of many drivers to 
  420. be  one  of the two required 12 dB/octave filters in a 24 dB 
  421. octave all pass (Linkwitz-Riley) design.  One  advantage  of 
  422. this  form  of  equalization  is  that  it yields near-ideal 
  423. inter-driver phase response.  
  424.  
  425. In  some  cases,  bandpass filters with appropriately chosen 
  426. center frequency and Q can give useful results. The designer 
  427. need to be sensitive to the possibility that equalizing  the 
  428. response  to  be  flat  over  a limited range does not cause 
  429. excessive phase shift.  Recall that equalizing drivers  only 
  430. yields  flat  phase response when amplitude response is flat 
  431. at all frequencies.  In  practice,  this  means  controlling 
  432. amplitude response for several octaves outside the bandpass.  
  433.  
  434. III. Performance of alternatives: 
  435.  
  436. Now that the choices are laid out,  what are the trade offs?  
  437. The areas being considered here are  frequency  response  on 
  438. and off axis,  ease of design,  power handling capacity, and 
  439. expense of implementation.  
  440.    
  441.   A.  Passive versus Active crossovers.  Active filters  are 
  442. always  the  choice when price is no object.  They allow the 
  443. designer to largely ignore driver impedance characteristics.  
  444.  
  445. Active crossovers can be cost-effective in  two  cases.  The 
  446. price performance of power amplifiers is non-linear.  Two or 
  447. more  small  amplifiers  that  can  be  implemented  by   an 
  448. inexpensive  integrated circuit are more cost-effective than 
  449. one amplifier built from discrete parts.  The power  ceiling 
  450. for  inexpensive  integrated circuits is around 30 watts per 
  451. channel at this time.  
  452.  
  453. At the opposite end of the spectrum,  amplifiers that exceed 
  454. the  capacity  of  readily available discrete semiconductors 
  455. are  very  expensive.   At  this  time,  the  technology  of 
  456. high-power  transistors  is  largely  dictated  by  the most 
  457. common  applications:  high  frequency  power  supplies  for 
  458. computers   and  voice-coil  drivers  for  high  performance 
  459. computer disk drives.  This puts an effective ceiling in the 
  460. range  of  200  to  400  watts  per channel.  Higher powered 
  461. amplifiers exist,  but they tend to be less cost  effective.  
  462. Systems with power requirements outside this range are often 
  463. more cost effective when implemented using active crossovers 
  464. and multiple power amplifiers.  
  465.  
  466. In  addition,  active  crossovers minimize amplifier quality 
  467. requirements by  reducing  intermodulation  distortion,  and 
  468. decreasing  the  possibility  of excessive reactive loading.  
  469. Finally,  amplifier clipping in one frequency  band  can  be 
  470. partially masked by clean output in another band.  
  471.  
  472.  
  473.   B.  Butterworth versus All-Pass crossovers.  Whenever flat 
  474. response on and off axis is desired, All-pass crossovers are 
  475. the most desirable.  Cost of crossover networks  is  more  a 
  476. function of ultimate slope than tuning.  
  477.  
  478.   C. Delay-derived versus All-Pass.  
  479.  
  480. As   the   cost   of  high  quality  time  delay  decreases, 
  481. delay-derived crossovers will  be  more  practical  for  the 
  482. mathematically  inclined perfectionist.  For all intents and 
  483. purposes,  time delay  implies  active  crossover  networks.  
  484. There  may be no reliably detectable subjective advantage to 
  485. delay-derived crossovers when listening in most rooms  using 
  486. most  commercially recorded program material.  Even if there 
  487. were a reliably detectable  difference,  preference  may  be 
  488. hard to establish.  
  489.  
  490.   D. Constant voltage versus Constant Power
  491.  
  492.   E. Time delay alternatives: 
  493.  
  494. Besides delay-derived crossovers,  time delay is also useful 
  495. for repositioning the acoustic  location  of  a  loudspeaker 
  496. driver.  Direct radiator tweeters tend to have the effective 
  497. source of their acoustical output ("Acoustic Center")  close 
  498. to  the  mounting  board.  Cone  woofers  tend to have their 
  499. acoustic centers some distance back from the mounting board.  
  500. Stepping the tweeter back causes the woofer to block part of 
  501. the radiation of the tweeter, which can be minimized, but is 
  502. undesirable. An alternative, first suggested by Linkwitz, is 
  503. to use time delay to position the acoustic  centers  of  the 
  504. woofer and tweeter in a plane parallel to the baffle board.  
  505.  
  506. Significant  amounts of time delay dictate the use of active 
  507. crossovers.  
  508.  
  509.      1.  Digital Delay.  The quality of digital delay can be 
  510. raised  to  almost any desired level by simply spending more 
  511. money.  The majority of the cost lies in digitization of the 
  512. analog  signal.  This  cost  can be avoided by using digital 
  513. program material sources in  digital  form.  Major  problems 
  514. remaining  are  the  high cost of multiple digital to analog 
  515. conversions and the need for a rather large number of ganged 
  516. level controls (1 for each loudspeaker).  
  517.  
  518.      2.  CCD delay.  The quality  of  CCD  delay  is  slowly 
  519. improving,  and  may  be  almost good enough for top quality 
  520. applications,  providing the delay is shorter than 20 or  30 
  521. milliseconds.  Loudspeaker applications are usually for less 
  522. than 5 milliseconds. Cost is around $100 per frequency band.  
  523.  
  524.      3.  Delay via all-pass filters.  Bessel tuned  all-pass 
  525. filters  provide  inexpensive  high  quality  delay when the 
  526. product of highest frequency  delayed  accurately  and  time 
  527. delay  is  small.  A  single  op-amp  can  provide  a highly 
  528. accurate 10 microseconds of  delay  over  the  entire  audio 
  529. range, or 1 millisecond of delay good to 500 Hz.  
  530.  
  531. IV.  Loudspeaker system construction.  
  532.  
  533. Crossover  networks  by  themselves are not very exciting to 
  534. listen to. It is only when they are used in conjunction with 
  535. loudspeaker drivers that they become interesting.  While the 
  536. purpose of this paper is not to provide a complete guide  to 
  537. loudspeaker  design,  a  few  comments on loudspeaker design 
  538. will  be  made.   Loudspeaker  systems   are   composed   of 
  539. crossovers,   transducers   or   loudspeaker  drivers,   and 
  540. enclosures. Evaluation techniques will also be touched on.  
  541.  
  542.    A.  Driver selection.  While crossovers can help  a  good 
  543.    driver sound better,  or at least allow it to develop its 
  544.    potential,  they cannot create  quality  where  there  is 
  545.    none.  
  546.           
  547.      1.   Direct   radiators   commonly  having  cone-shaped 
  548.      diaphragms in units  designed  for  use  at  the  lower 
  549.      frequencies,  and  dome  shaped diaphragms for the high 
  550.      frequencies,  can have good performance and  relatively 
  551.      low cost.  
  552.  
  553.      Specifications   or  low  frequency  drivers  that  are 
  554.      presented in terms of the well-known  Thiel  parameters 
  555.      are  about the specifications for direct radiators that 
  556.      can be relied on because they are so easy to verify.  
  557.  
  558.      Of the Thiel parameters,  Qt,  or  total  system  Q  is 
  559.      perhaps the most easily evaluated. Poor quality drivers 
  560.      usually  have high Qt's,  on the order of 0.5 or above.  
  561.      Good quality drivers usually have lower  Qt's,  on  the 
  562.      order  of  0.25  to  0.35.  It  is a good idea to use a 
  563.      computer program to design some trial  enclosures,  and 
  564.      verify   the   suitability   of   the  driver  for  the 
  565.      application.  
  566.  
  567.      Thiel parameters for low frequency drivers tend  to  be 
  568.      subject to sample-to-sample variations, and ideally are 
  569.      measured individually, as a guide to tuning.  
  570.  
  571.      In  general,  specifications for mid and high frequency 
  572.      direct  radiator  drivers  are  not  overly   reliable.  
  573.      Measurements of driver response should be made with the 
  574.      driver  mounted as it will be in the final application, 
  575.      particularly for midrange drivers.  
  576.  
  577.      2.  Horn loaded drivers have been shunned by many picky 
  578.      listeners  for  some  time,  but have never been out of 
  579.      style in high quality public address  systems  and  are 
  580.      regaining  favor for all applications.  At this time it 
  581.      is pretty well  understood  that  the  so-called  "horn 
  582.      resonance"  and  poor  quality  sound was the result of 
  583.      using horns that  were  not  designed  for  good  power 
  584.      response.  
  585.  
  586.      Constant  directivity  horns  require  equalization for 
  587.      flat response,  and can  be  quite  large,  but  afford 
  588.      unequalled control over the radiation pattern,  and can 
  589.      be cost effective when  total  system  cost,  including 
  590.      power amplifiers, is considered.  
  591.  
  592.    B.  Enclosure Designs. Enclosures can subtly affect sound 
  593.    quality of loudspeaker systems.  Obviously, the enclosure 
  594.    should  be  of an appropriate geometry to ensure adequate 
  595.    volume for  the  low  frequency  driver,  and  facilitate 
  596.    orientation  of  the  radiation  patterns  of  the  upper 
  597.    drivers towards  the  listeners.  Enclosures  can  subtly 
  598.    effect  the sound when they affect the directivity of the 
  599.    drivers  or  have  undesirable  undamped  resonances   at 
  600.    spurious frequencies.  
  601.  
  602.      1.  Conventional  free-standing  enclosures are usually 
  603.      built with a pressed wood core veneered  with  hardwood 
  604.      or   thermoplastic   laminate.   Wave   guides  may  be 
  605.      incorporated into  the  design  of  the  front  of  the 
  606.      enclosure  to  control  directivity.  The  edges of the 
  607.      enclosure are usually rounded  to  reduce  diffraction, 
  608.      though   pleasing   sound   is  sometimes  obtained  by 
  609.      encouraging diffraction by placing  the  edges  of  the 
  610.      drivers  near  the  edges  of the enclosure.  Since the 
  611.      drivers have decreasing dimensions,  a "pyramid"  shape 
  612.      results.  
  613.  
  614.      2.  Built-in  loudspeakers allow avoiding disruption of 
  615.      the  listening  room  decor  with  large  boxes.   Some 
  616.      subwoofers can be placed in the floor, ceiling, or wall 
  617.      to  utilize  the  structure  of  the  building as their 
  618.      enclosure. Higher range drivers are not often installed 
  619.      this way because they are more critical of placement.  
  620.  
  621.      3.  Esoteric enclosure designs include  those  made  of 
  622.      concrete, sand between concentric cardboard tubes, etc.  
  623.      Good  suppression  of  enclosure  wall resonance can be 
  624.      obtained in this way.  
  625.  
  626.    C.  Evaluation techniques are  important  to  any  design 
  627.    effort,    especially   those   involving   loudspeakers.  
  628.    Obviously,  the  goal  is  subjectively  perceived  "Good 
  629.    sound",   but   subjective   perceptions   have   limited 
  630.    reliability unless good experimental controls  are  used, 
  631.    in  which case they are also very time consuming.  A rule 
  632.    of thumb in carpentry is if you cut two  boards  to  have 
  633.    equal  length  by  eye,  you can always see the errors by 
  634.    eye,  while good quality measurements speed the  process, 
  635.    often  yielding  results  that  are  perceived  as  being 
  636.    essentially perfect.  This is also true with  loudspeaker 
  637.    construction.  
  638.  
  639.      1.  Microphones  have  always been a stumbling block to 
  640.      loudspeaker  construction,   but   recently   miniature 
  641.      electret  capsules  with  outstanding response over the 
  642.      entire range have come  on  the  market  for  very  low 
  643.      prices,  often on the order of a few dollars.  There is 
  644.      now no excuse for any loudspeaker  constructor  to  not 
  645.      have  one or more good measurement microphone(s) in his 
  646.      possession.  
  647.  
  648.      The reliability of acoustic measurements is enhanced by 
  649.      using multiple microphones with separate  rectification 
  650.      for  each  microphone  prior to summation into a single 
  651.      measurement.  
  652.  
  653.      2. Ordinary audio oscillators are very inexpensive, and 
  654.      can  give  remarkably   good   results   as   long   as 
  655.      measurements  are not affected by standing waves in the 
  656.      room. This is usually true above 500 Hz. Results may be 
  657.      manually plotted when cost is an object,  and  time  is 
  658.      available.  
  659.  
  660.      3.  Swept oscillators and chart recorders can give good 
  661.      repeatable results at a much higher  system  cost  than 
  662.      using  normal  audio  oscillators,  but the results are 
  663.      plotted automatically, and a wide range of tests can be 
  664.      performed in a brief period of time.  
  665.  
  666.      4.  Pink noise sources include  relatively  inexpensive 
  667.      test  sets,  or  even  more inexpensive digital compact 
  668.      disks,  such as marketed by Denon.  Standing waves  are 
  669.      less  of  a  problem than when using audio oscillators, 
  670.      but  integrating  results  over  a  period  of  several 
  671.      seconds  is  required to get reliable results below 200 
  672.      Hz.  
  673.  
  674.      5.   Coherent  fractional  octave  sources  have   been 
  675.      described   by   Linkwitz   and  others.   Their  major 
  676.      advantages are:  reduction in the amount of integration 
  677.      time  required  for reliable results,  and a relatively 
  678.      pleasing sound.  
  679.  
  680.      6.  Spectrum analyzers such  as  the  ever-popular  and 
  681.      highly  effective  one  third octave real time analyzer 
  682.      are  very  effective,  at  a  price.  They  often  lack 
  683.      fractional dB resolution on their LED displays, but can 
  684.      be   used   with  external  CRT  displays  for  greater 
  685.      accuracy.  
  686.  
  687.      6. Computerized techniques include the highly effective 
  688.      and expensive Time Energy Frequency (TEF) test set,  at 
  689.      one extreme,  combinations of third octave filter banks 
  690.      and personal computers in the  other.  A  broad  middle 
  691.      ground is filled by dedicated and personal computer FFT 
  692.      analyzers, where the trade off is low price versus fast 
  693.      response   and   good   resolution.   As  the  cost  of 
  694.      computation and digital-to-analog conversion decreases, 
  695.      all known and future audio  test  instruments  will  be 
  696.      implemented   using   general   purpose   hardware  and 
  697.      sophisticated software.  
  698.  
  699. V. Conclusions.  
  700.  
  701.    A.  Electronic crossovers are desirable for many reasons.  
  702.       These include: easy design, use of more cost-effective 
  703.       amplifiers,  greater  flexibility in possibilities for 
  704.       compensating for driver and enclosure characteristics, 
  705.       and ease of final set-up.  
  706.  
  707.  
  708.    B.  Best price-performance in crossovers is obtained with 
  709.       24 dB/octave acoustical all-pass.  There is  only  one 
  710.       alternative  that  has  the  possibility  of  "Better" 
  711.       performance,  the  delay-derived  design,  and  it  is 
  712.       prohibitively expensive and has benefits  of  marginal 
  713.       audible   significance  at  this  time.   There  is  a 
  714.       possiblity  that   program   material,   driver,   and 
  715.       listening     room    characteristics    along    with 
  716.       implementation cost cuts will  change  this  situation 
  717.       within a decade.  
  718.  
  719.    C. It is important to know actual driver characteristics.  
  720.       Optimizing  the  performance of the combination of the 
  721.       crossover and the drivers is the goal,  and this  goal 
  722.       cannot  be achieved by knowing only the characteristic 
  723.       of the crossover.  While useful woofer characteristics 
  724.       can be determined from specification sheets,  this  is 
  725.       not the general situation for midrange and tweeters.  
  726.  
  727.    D.  Relatively  sophisticated  acoustic  measurements are 
  728.       possible at a  reasonable  cost.  The  major  stumblig 
  729.       block  has  been  obtaining  sophisticated,   reliable 
  730.       signal sources and  microphones.  Compact  discs  with 
  731.       sophisticated   test  signals  recorded  on  them  are 
  732.       becoming availible,  and are  quite  reliable.  Small, 
  733.       inexpensive,   electret   microphones  costing  a  few 
  734.       dollars provide omnidrectional response that  is  flat 
  735.       with  one  or  two  dB's  from 20 Hz to 20 kHz.  Small 
  736.       general-purpose computers are capable  of  inexpensive 
  737.       analysis  of electrical signals.  Their cost,  and the 
  738.       cost of analog-to-digital conversion will continue  to 
  739.       fall.  
  740.  
  741. 
  742.