Sign in to follow this  
calle_jr

Illustration av delningsfilter och högtalarelement

Recommended Posts

 

Jag har räknat om enligt föregående inlägg.

Eftersom 2xMEA är inkluderad i driverns massa tog jag bara bort dem från min krets, och minskade 400µF-kondingen med motsvarande värde.

 

Impedanskurvan stämmer inte helt och jag vet inte varför. "Skidbacken" över 200Hz är för brant i mellanregistret och planar sedan ut högfrekvent. Så ser det inte ut i Scan-Speaks datablad och inte i teks simulering med strömkälla.

I övrigt stämmer det väl.

 

 

image.png

Share this post


Link to post
Share on other sites
On 2019-04-20 at 21:31, calle_jr said:

 

Hur en styv kolv strålar har både Lord Rayleigh, Stapanishen, Thompson, Greenspon, Sherman, Pritchard, Malecki, Morse & Ingard, Svensson och många fler studerat.

Och det finns massor av studier av hur plattor/skal/membran beter sig (Timoshenko är en favorit). Men ganska lite om hur de strålar.
Modformerna för ringformade membran har presenterats av tex Jabareen och Eisenberger, medan direktivitetsmönstret för cirkulära membran har utforskats av Malecki, Morse & Ingard och Rdzanek.

Hur horn strålar är också mycket väl utforskat och dokumenterat, jag rekommenderar läsning av Webster, Kyouno, Shinichi och Shigeru.
Men när det gäller ljudeffekt och direktivitet (dvs utstrålning) från ett koniskt membran som rör sig som en kolv så finns det väldigt lite att hämta. Än idag.

 

Den som vet mer är välkommen att redovisa :64:

Man kan mäta och beräkna en drivers impedans med mycket hög precision, men därefter är det faktiskt ganska mycket tjolahoppsan.

Vi är ju normalt inte så intresserade av en högtalares impedans. Vi är intresserade av hur den låter (dvs utstrålningen). Men jag får en stark känsla av "don't go there" när jag luskar i detta.

 

Här är en illustration som jag satt ihop för att förklara de fenomen som inverkar enbart pga ett högtalarmembrans utstrålning till Fraunhofer-zonen:
 

https://euphonia-audioforum.se/forums/uploads/monthly_2019_04/image.png.4055d760fb7d0c2023aef3195ffee4ba.png

 

Fetstil är såklart inte sant. Märker när jag läser igen att jag uttryckte mig slarvigt och kategoriskt.

Det finns kilometervis med undersökningar på detta.

Man studerar då de olika huvudfallen med målet att hitta analytiska uttryck för akustisk tryckfördelning, intensitet och strålning i fjärrfältet.

Det blir många fall...

Membranets mått, form och materialegenskaper, utformning av spider och surround, baffelns inverkan, hur exciteringen ser ut etc.

  • Ett huvudfall kan vara ett cirkulärt plant ringformat membran som är ledat längs den inre ringen och fritt längs den yttre.
  • Ett annat huvudfall kan vara en cirkulär kolv med radien r som pulserar i en baffel.
  • Ett tredje huvudfall är en kolv som pulserar i en cylinder eller ett horn.

Vart och ett av dessa kan beskrivas analytiskt, och det är det som visas i illustrationen.

Men när man kombinerar dem blir det helt enkelt så komplext och "instabilt" att det känns meningslöst att försöka formulera ett allmängiltigt samband.

image.png

 

 

Så, vad gör man?

Antingen kokar man ner till en specifik driver och studerar den och enbart den. Eller så koncentrerar man sig på en specifik detalj eller ett specifikt område (lf, hf, piston range osv). Eller så ger man efter och använder FEM/BEM som generellt verktyg, där man kan göra parameterstudier i det oändliga. Eller så mäter man och kurvanpassar.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
On 2019-04-28 at 09:05, calle_jr said:

när man kombinerar dem blir det helt enkelt så komplext och "instabilt" att det känns meningslöst att försöka formulera ett allmängiltigt samband.

Jag har hittat en del källor som räknar på SPL inkl membran- och hornverkan eller koniskt membran. Anne-Marie Bruneau gör detta på ett otroligt snyggt sätt. Man häpnar över hennes skärpa. Hon och hennes man Michel Bruneau byggde upp ett lab i Le Mans i början på 70-talet och hennes specialitet var transducers.

 

En annan som arbetar med väldigt "kompletta" modeller är Wojciech Rdzanek Jr, som verkar ha tagit vid sin fars arbete, osäker på det. Och givetvis Wolfgang Klippel. Men det som är gemensamt för samtliga är att de måste kombinera beräkningar med mätningar. Det är samma sak med Knud Thorborg, och han anger egentligen bara data för att beräkna impedans över hela kretsen.

 

Makarna Bruneau har en mycket snygg process för att bestämma drivers verkningssätt, och i mitt tycke mer vetenskapligt än Scan-Speak och en del amerikanska drivers. De utgår alltid från det fysikaliska verkningssättet för respektive domän, och försöker hitta metoder för att verifiera detta verkningssätt, vilket innebär de mest finurliga sätt att mäta och tillämpa statistiska metoder för att vaska fram rätt mätdata. De börjar således med den elektriska kretsen, beräknar blockad impedans (membranet fastlåst), går vidare med magnetiska fenomen, sedan de mekaniska delarna, och sist luften som en last för att få korrekt utstrålning. De har alltså formulerat ett set analytiska uttryck för utstrålningen inkl hänsyn till membran- och hornverkan med ett koniskt membran. Jag kan inte redogöra för hela deras arbete på området, se exvis [1][2], men bara för att ge en ”flash” är här en sammanfattning av deras formulering av utstrålningen uttryckt i ”vår” terminologi:

 

image.png   image.png

 

Men även Bruneaus beräkningsmetodik innebär att man måste studera och mäta upp en specifik driver, och deras samband innehåller ett antal approximationer och villkor på vägen. Man kan nog, kort och gott uttryckt, inte i praktiken beskriva hur ett dynamiskt element fungerar med en rigorös teori.

 

I slutändan är hela konstruktionen (drivern) ett resultat av en samling egenljud. När man utformar drivern försöker man få den att härma något naturligt. En liten justering av ett material, ett mått, en rand, ett motstånd, magnetflödet, baffeln osv, så ändras ett egenljud och det kan låta mer eller mindre naturligt. Vi kan uppfatta det som mjukare, svampigare, styvare, hårdare, rappare, trögare osv. Det säger sig självt att det inte går att få ihop alla dessa egenskaper till något som totalt sett är objektivt perfekt. En del kommer tycka att vissa kompromisser har övervägande fördelar, andra tycker tvärtom. Man kan tycka att en förändring gör att drivern plötsligt låter perfekt on-axis, men då låter den i gengäld lite sämre 30o off-axis. Om vi minskar e-modulen i membranet så kommer det låta mindre metalliskt, men olinjäriteten i vågutbredningen ökar. Osv, osv.

 

Nu har jag babblat flera sidor om en enda driver, utan filter och utan låda. Man kanske kan reflektera lite grand kring högtalarspecar i ljuset av detta. För mig är det åtminstone en signal att man ska vara ganska försiktig att uttala sig om specar :)

 

[1]  A.M. Bruneau and M. Bruneau: Electrodynamic Loudspeaker With Baffle: Motional Impedance And Radiation. J. Audio Eng. Soc. Vol 34, No. 12, December 1986.

[2]  A.M. Bruneau: Rayonnement d'un Disque Placé ou non dans un Écran a la Surface duquel la Distribution Est Connue et Rayonnement d'un Haut-Parleur à Diaphragme Conique. Acustica Vol 43, No. 2, 1979.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
27 minutes ago, calle_jr said:

De utgår alltid från det fysikaliska verkningssättet för respektive domän, och försöker hitta metoder för att verifiera detta verkningssätt, vilket innebär de mest finurliga sätt att mäta och tillämpa statistiska metoder för att vaska fram rätt mätdata. De börjar således med den elektriska kretsen, beräknar blockad impedans (membranet fastlåst), går vidare med magnetiska fenomen, sedan de mekaniska delarna, och sist luften som en last för att få korrekt utstrålning.

 

Verkar vara ett vettigt sätt att angripa problemet.

 

29 minutes ago, calle_jr said:

Man kan nog, kort och gott uttryckt, inte i praktiken beskriva hur ett dynamiskt element fungerar med en rigorös teori.

 

Instämmer.

Share this post


Link to post
Share on other sites

 

NL5 är en kretssimulator för analoga elkretsar med ideala eller styckvis linjära komponenter. @tek har hjälpt mig med bättre simulering med denna mjukvara, och här är resultat från NL5 där man dels ser att impedansen stämmer bättre, dels ser vi fasgången för SPL:

 

image.png

 

image.png

 

Här är modellen igen, jag visar den här eftersom vi har ändrat runt en massa under resans gång:

 

image.png

 

SPL lågfrekvent och inom piston range stämmer också mycket bra, men vi saknar som bekant effekterna av membran- och hornverkan över 800Hz. Vi får nöja oss med det.

 

Effekter av membranverkan

Membranverkan ser man i mätningar som berg- och dalbanan över piston range. Vid en övergångsfrekvens ft (transfer frequency), där membrandiametern (2a) överstiger halva våglängden, så sjunker den totala utstrålningen med 6dB per oktav, så att image.png . Ärligt talat skulle det för vårt syfte kännas ganska meningslöst att försöka simulera denna berg- och dalbana. Det räcker att vi vet att den finns där och varför. Jag kan bara spekulera i att den totala utstrålningen minskar pga membranresonanser.

 

Effekter av hornverkan

Ett konformat membran så som 22W/8534G00 gör att membranet fungerar som ett skal och har avsevärt mycket högre styvhet och det är väl detta som är största anledningen att utforma dem så. Men det innebär också att utstrålningen riktas mer on-axis, dvs hornverkan:

 

image.png

 

Effekten av hornverkan finns upp till avskärningsfrekvens fc (cut-off frequency), där hornets höjd (h) överstiger halva våglängden, image.png. Över denna frekvens sjunker ljudtrycket med 6dB per oktav.

 

I vårt fall är image.png

 

 

image.png

 

 

 

Jag är övertygad att de som konstruerar drivers på det här sättet lätt skulle kunna redovisa SPL med stor noggrannhet enbart utifrån specar och utan att se en SPL-mätning.

 

 

On 2019-03-03 at 10:15, Engelholm Audio said:

Menar du att du via detta, skulle simulera fram en (någorlunda) överensstämmande frekvenskurva?

 

Längre än så kommer jag nog inte @Engelholm Audio :)

 

 

Stort tack till @tek som tålmodigt har gjort körningar på längden och tvären innan vi hittat rätt. Jag vet att NL5 har en ganska buggig exportfunktion ovanpå allt, och många av komponenterna är inte direkt standard. Så det finns många felkällor.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
On 2019-05-12 at 14:18, calle_jr said:

Längre än så kommer jag nog inte

Impedanser ser ju klockren ut medan SPL ser mindre klockren ut (klocksmutsig?).

 

Arbetet, engagemanget och uthålligheten i denna tråd är beundransvärd. Hatten av, @calle_jr och @tek och ev fler (?) som hjälpt till!

 

Undrar vad Skaaning, Scan Speak och liknande tänker om denna redovisning?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Tack.

 

On 2019-05-14 at 19:34, Engelholm Audio said:

Undrar vad Skaaning, Scan Speak och liknande tänker om denna redovisning?

Tråden är extremt svårläst när man inte har följt den, så jag håller på med en förhoppningsvis mer pedagogisk version som börjar från början och går i rätt riktning utan sidospår.

Egentligen en helt övermäktig uppgift för mig, men vi har ju inte bråttom :)

 

 

On 2019-05-14 at 19:34, Engelholm Audio said:

SPL ser mindre klockren ut

Ja, men jag tror som sagt att det ligger i en modifiering av modellen pga membran- och hornverkan.

Claus Futtrup, Jan Møller och Knud Thorborg har gjort modeller där ovanstående modell av driver är inkorporerad i en komplett modell med flera drivers, delningsfilter, låda och portar. 

Förvisso har Scan-Speak skrivit "Preliminary" på dessa data i alla deras specar. Och det är verkligen i gränslandet att utgå från modeller som baseras på kurvanpassning, med ganska vaga kopplingar till verkliga fenomen. Men de använder detta själva. Jag tror de försöker "tvätta bort" de gängse metoderna med småsignalmodeller, som de anser är felaktiga i praktiken eftersom drivers används med större konutslag där både styvhet och dämpning blir olinjär och frekvensberoende.

 

 

On 2019-05-14 at 19:34, Engelholm Audio said:

Undrar vad Skaaning, Scan Speak och liknande tänker om denna redovisning?

Scan-Speak skulle kunna berätta hur de beräknar utstrålningen låg- och högfrekvent med sin modell :)

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

 

Jag har sett ett smart sätt att bestämma utstrålningen pga membran- och hornverkan.

Man monterar drivern i ett "rum" (en stor låda) och spelar med en annan ljudkälla som ger ett diffust ljudfält i rummet. Man mäter ljudtrycket i rummet med mikrofon och membranets acceleration med accelerometer. Eftersom ljud är reciprocivt kan utstrålad ljudeffekt beräknas oberoende av andra fenomen i drivern. Om ljudfältet i rummet kan anses vara diffust så är det bara accelerometern som "stör" mätningen, och dessa finns ju idag som mycket nätta instrument.

 

image.png

 

 

 

image.png

3-axlig accelerometer från Analog Devices. Foto: analog.com

 

 

Ett annat sätt är att laserscanna membranet. Det finns en rad olika tekniker där man förutom membranets hastighet också kan se modformerna för varje punkt på membranet.

Ann-Marie Bruneau använder laser för att mäta amplitud och fas och skapa ett hologram av detta:

 

image.png

Σ0 är driverns utstrålning, och Σp är laserns bärvåg. L1 och L2 är mikroskop. T1 och T2 är 25µm stora hål. H är hologrammet. Bild: A.M. Bruneau: "Amplitude and Phase Measurements of Vibrations of Radiating Surfaces in Order to Determine the Emitted Sound Field"
 

 

Såhär kan en skanning illustreras grafiskt, där vi uppenbarligen är så högt i frekvens att membranresonanser utbildats:

 

image.png

 

Bild: Wolfgang Klippel: "Distributed Mechanical Parameters Describing Vibration and Sound Radiation of Loudspeaker Drive Units"

 

 

Oavsett hur man mäter så är målsättningen att få reda på membranets utböjningsform för hela registret och i alla punkter på membranet.

Kalla denna utböjningsform för image.png, där ω är aktuell frekvens och rD är aktuell punkt på membranet.

Då är ljudtrycket på avståndet ra:

 

image.png

 

Som vanligt är ρ0 luftens densitet, k är vågnummer, SD är membranarea och p0 är referensnivån.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

 

Hur påverkar lådan då? :unsure:

 

image.png

Det laminerade kabinettet i TAD Model-1. Bild: Audioxpress

 

 

Kabinettet påverkar naturligtvis en högtalares prestanda avsevärt. Hur det påverkar beror i första hand på om det är en sluten eller basreflex/portad låda, line source eller t.o.m hornladdad konstruktion. Men i sin enklaste form karakteriseras lådan av en akustisk massa, akustisk resistans och akustisk komplians. Man kan bygga mer eller mindre komplicerade modeller där dessa tre egenskaper på något sätt återfinns som komponenter i modellen.

 

Om det handlar specifikt om dimensionering av kabinett så är det ett renodlat strukturdynamiskt problem, och kabinettet kan då analyseras skilt från drivers och filter.

 

image.png

FEM-analys av en kabinettsida. Vibrationsmoder där bilden till vänster är osträvad och till höger är 4st förtyvningar inlagda. Bild: David Waratuke

 

Men det är inte meningsfullt att göra den typen av beräkningar innan man vet kabinettets grundläggande mått och form, portens utformning, fyllning etc.

 

Så, om vi fortsätter med lumpade modeller (med syfte att koppla ihop låda med drivers och delningsfilter) så behöver man rita upp en ekvivalentmodell som beskriver lådan. Här är en typisk ekvivalentkrets för att simulera ett dämpat kabinett med basreflex:

 

image.png

 

Dvs det är en samling akustiska och mekaniska egenskaper i kabinettets material, mått och form som översätts till en elektrisk krets med mobilitetsanalogi.

  • LUA och CUA representerar komplians och massa för den del av lådvolymen som inte är fyllning.
  • LAF representerar komplians för den del av lådvolymen som utgör fyllning.
  • LTH och RTH representerar termisk volymändring och termiska förluster.
  • RB utgör den absorption som finns i lådan oavsätt dämpmaterial, dvs den absorption som kommer enbart av att man monterar drivern i en låda och som är kopplad till QB (förklaras av Thiele och T/S-parametrar).
  • CMF representerar massan som fibern i fyllningen påverkar systemet med.
  • CAF och RAF utgör massan av luften och luftmotståndet i den lådvolym som har fyllning.
  • RP och CP är portförluster representerade med dämpning och massa.
  • RL är läckageförluster representerade med dämpning.

 

Som syns är det endast lådans inverkan som visas i bilden. Drivers och delningsfilter enligt tidigare redovisning ska därefter läggas till kretsen.

Hur man beräknar komponentvärdena redovisas i exvis Claus Futtrup: “Losses in Loudspeaker Enclosures”.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this