Den Dynamiska Högtalaren - Diskussionstråd

[calle_jr]

Den Dynamiska Högtalaren - Diskussionstråd

 

Redan när första diskussionen i vintras inleddes om voicing av högtalare och filterpåverkan, så kom frågan upp att beskriva en högtalare med element, delningsfilter, låda och portar.

 

"Aldrig i livet" tänkte jag, det är alldeles för svårt och omfattande.

 

Nu är vi snart där i denna tråd. Den är dock mycket svår att läsa i efterhand eftersom den innehåller diskussioner och nya infall och hoppande mellan delämnen och metoder högt och lågt.
Jag har därför kondenserat ned innehållet härifrån i en låst artikel, samt kompletterat med några avsnitt för att göra det något mer komplett.

Det finns fortfarande lite fel och luckor här och var, men jag känner att det är bättre att komma igång och publicera. Annars blir det väl aldrig gjort. Det är ett så pass brett ämne att man knappast kan ha alla luckor i huvudet på en gång.

 

Så, kom därför gärna med frågor eller förslag till ändringar och tillägg i denna tråd. Eller så kan du bara läsa

 

Artikeln börjar här;
https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/
 

 

[calle_jr]

 

Nu är avsnitt 3 publicerat:

 

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=244874

 

 

 

[calle_jr]

 

Nu är avsnitt 4 publicerat

Det behandlar simulering och direktberäkning med dynamiska element.

 

För simuleringen är det ett fel nånstans  som jag inte hittar. Men det är en skalning och jag tror inte det påverkar beskrivningen av verkningssättet.
Det kommer såklart rättas till när felet hittas.

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=245041

 

 

[calle_jr]

 

Nu är avsnitt 5 publicerat.

Det handlar om delningsfilter och dsp, dvs det som var upprinnelsen till hela diskussionen.

 

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=245268

 

 

[calle_jr]

 

Nu är avsnitt 6 publicerat.

Det handlar om kabinett och är inte på något sätt fullständigt. Men det är kortfattat, alltid något 

 

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=245922

 

[Bolstad]

Vill bara passa på att tacka för arbetet du lägger ner för oss andra att läsa. 

Älskar att läsa om teknik i alla former, av denna kanske jag hänger med på 20% men vilka % det är. 

[Svanteborg]

Bolstad sa det bra, det är kul att läsa även om man inte hänger med fullt ut i all teknik. Tack för en bra artikelserie!

[calm]

Jag blir alltid lika imponerad av innehållet i dessa trådar som djupdyker i de  teoretiska och beräkningsmässiga aspekterna på konstruktioner. Kan naturligtvis inte hänga med i dessa resonemang eller modeller. Men en gång i tiden på tekniskt gymnasium var man tvungen att försöka hänga med i ändlösa beräkningar i synnerhet vad jag minns inom hållfasthetsläran. Vi hade en ungersk civilingenjör som lade upp otaliga balkar som skulle beräknas hållfastheten på och jag kan än idag höra hans utläggningar på bruten svenska och då var det alltid med fjärilar i magen om man skulle landa rätt i slutändan med den egna beräkningen, vid proven. Det gällde att kunna överslagsberäkna i huvudet och landa rätt med kommatecknet. Till vår hjälp hade vi tabeller, formelsamlingar och inte minst det då rådande beräknings-hjälpmedlet räknestickan. Själv hade jag en Faber Castell med ett stort antal skalor  som denna. https://www.tradera.com/item/2939/349213700/raknesticka-faber-castell-2-82-duplex-. Tror att den finns någon stans i mina gömmor, men osäker om jag skulle kunna hantera den idag. Sedan kom miniräknaren där jag med stolthet kunde köpa min första Texas Instruments T-1. Den hade Nixi-rör med röda prickar som skapade siffrorna i displayen och var svindyr, om jag minns en bit över tusenlappen då på slutet av 60-talet. En motsvarande kan man väl köpa kring hundralappen på Clas Ohlsson eller liknande.

 

Mycket vatten har runnit under broarna sedan dess och idag sker väl beräkningarna rent datoriserade? Liten fråga är om hur utbudet av beräkningsprogram ser ut idag och hur en praktiker jobbar idag? Färdiga formelsamlingar eller egenkonstruerade? Verkar som det vore praktiskt att inte uppfinna hjulet varje morgon, utan kunna kombinera redant existerande och "plutta in" värden i beräkningsprogram. Lite nyfiken hur det fungerar i praktiken idag !

 

Calm

[calle_jr]

Jätterolig anekdot med hög igenkänningsfaktor.

Även om räknestickan fasades ut tidigt i min skolgång så hade jag kolleger som använde den när jag praktiserade som spoling.

 

 

On 2019-08-21 at 09:13, calm said:

Mycket vatten har runnit under broarna sedan dess och idag sker väl beräkningarna rent datoriserade? Liten fråga är om hur utbudet av beräkningsprogram ser ut idag och hur en praktiker jobbar idag? Färdiga formelsamlingar eller egenkonstruerade? Verkar som det vore praktiskt att inte uppfinna hjulet varje morgon, utan kunna kombinera redant existerande och "plutta in" värden i beräkningsprogram. Lite nyfiken hur det fungerar i praktiken idag !

Arbetssättet är digitaliserat på så sätt att all dokumentation lagras digitalt. Det innebär att man även för de enklaste beräkningar och kalkyler använder digitala hjälpmedel.

Även om det är en banal struktur där man behöver beräkna snittkrafter och deformationer så använder man tex MS Excel i stället för miniräknare eller räknesticka, eftersom dokumentationen ändå ska lagras digitalt.

 

Om man ser till mer avancerade beräkningar så kan man i stort skilja mellan forskarprogram och kommersiell mjukvara.

Skillnaden är att forskarprogram som regel är rena analysverktyg med användarfientlig in- och utdata, men där man vet exakt vad man gör. Man måste helt enkelt veta.

Medan kommersiell mjukvara väldigt ofta saknar exakta beskrivningar om vad mjukvaran egentligen gör på djupet. Däremot väldigt flashig in- och utdata.

 

I båda fallen måste man alltid arbeta med idealisering, och det är här hantverksskickligheten kommer in. Detta kan inget program göra till en.

Strukturer betér sig så som man berättar för dem att de ska beté sig. Det finns inget beräkningsprogram som kan berätta för en hur man ska bygga en bil, en båt, ett flygplan, en bro eller ett hus. 

 

Dessutom måste man alltid göra en starkt idealiserad modell parallellt med ett annat verktyg, för att verifiera att den detaljerade modellen är rimlig.

Ett exempel är att man kan betrakta ett 30-våningshus som en konsolbalk.

Utan att vi fördjupar oss så ser man till att den kommersiella mjukvarans beräkning med 100.000 element i stort betér sig som den enkla konsolbalken.

 

En stor fördel med avancerad mjukvara är att när man väl litar på sin modell är det enkelt att göra känslighetsanalyser; Vad händer om toleranser samverkar på ett ogynnsamt sätt? Vad händer om vissa laster är överskattade/underskattade? Vad händer om jordmaterialen är mjukare på en del av tomten jämfört med en annan del? osv osv

 

En annan stor fördel är att vi idag bygger 3- eller 4-dimensionella och olinjära modeller, dvs vi kan titta på strukturer i rymden och även dess spännings- och tidsberoende (exvis långtidseffekter eller dynamiska fenomen). Förr mäktade man bara med 1- eller 2-dimensionella modeller, och de var nästan alltid linjära.

 

[calm]

Intressant Calle_Jr!

 

Inser snabbt att jag gjorde ett riktigt yrkesmässigt val, då det blev något helt annat än ingenjörens. Det hade aldrig blivit bra. Matten var akilleshälen. Mina klasskamrater som toppade betyget i gymnasiet, fick ändå se sig svettas på preparandkurser inför KTH, det var även på den tiden skillnad på nivå mellan gymnasiet och högskolan, tror att den ökat idag.

 

Själv kan jag istället ägna mig åt hobbyverksamhet på elementärnivån och undvika att skada andra. Men samtidigt  bra att det finns folk som går "all in". Det känns tryggt! Vad är det man brukar säga? Advokatens misstag sitter i fängelse, läkarens är begravet och frågan är vad ingenjören kan ställa till med? Det kan bli etter värre!

 

Calm

Edited August 26, 2019 by calm

[calle_jr]

4 hours ago, calm said:

frågan är vad ingenjören kan ställa till med?

Om man bygger en bil eller ett flygplan så har man en utvecklingsbudget på kanske 10, 15 eller t.o.m 20 miljarder SEK. Det är mycket pengar

En stor del av detta innefattar prototyper, olika provningar och alla möjliga tester.

Om man bygger en färja, en bro eller ett hus så har man inte alls de möjligheterna. För ett miljardprojekt ligger kanske testning på säg 2 miljoner, max.

Det innebär att man gör en one-off produkt där man i princip helt förlitar sig på beräkning och simulering.

Och riskerna innefattar allt från byggkostnadskalkyl, till miljökonsekvenser, fuktproblem, brandrisker och stommens totalkollaps. Eller varför inte rumsklang i ett auditorie

 

[calle_jr]

 

Nu är avsnitt 7 publicerat.

Det är ganska kort men intensivt och handlar om den sammansatta högtalaren.

 

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=247033

 

[calle_jr]

 

Ett kortare avsnitt om uppställning av högtalare är nu publicerat.

Det återfinns här:

 

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=247978

 

[calle_jr]

 

Här kommer ett avsnitt om högtalarplacering:

https://www.euphonia-audioforum.se/forums/index.php?/forums/topic/13182-den-dynamiska-högtalaren-det-handlar-om-utstrålning/&do=findComment&comment=252275

 

Rykande färskt och säkert inte helt avlusat.

 

[calle_jr]

 

En ganska intressant sak med högtalarplacering och fenomenet stereo är att riktningsinformationen ju faktiskt inte blir korrekt för bas jämfört med diskant.

Även de tester som Leakey, Simonsen och Wendt gjorde (se artikel avsnitt 7) visar att man upplever bas komma mer från mitten än diskant, även om det är samma ljudkälla som spelas in.

Om man som exempel spelar en baston och en diskantton från samma ställe något till vänster i soundstage, så skulle man behöva höja basen ett antal dB (3-6dB) i vänster kanal för att man ska uppfatta det som att tonerna kommer från samma punkt.

När det gäller vinyl har ju trenden snarare varit den motsatta, dvs man summerar gärna L+R i basen för att få bättre tillgänglig dynamik.

 

[calle_jr]

Följande är ett utkast för att få till en sammanfattning av några typiska skillnader mellan spännings- och strömdrift av högtalare.
Det är som sagt ett utkast och fel som påpekas kommer rättas till, så sätt på de slipade brillorna.

@MatsT har ju gjort en genomgång här, och i @Anders65s tråd gör vi några jämförelser.
Men dels är kretsarna i de exemplen lite speciella, dels är det några saker till som jag vill belysa.

Jag har lånat det jag begriper från dessa trådar i ett försök att göra en lite mer komplett sammanställning av grunderna.

 

Den elektromagnetiska kopplingen med högtalarens talspole utgörs ju av att ström skapar en kraft (), och denna kraft styr i sin tur membranets acceleration, hastighet och förskjutning beroende av membranets massa, dämpning och komplians (). Så, ett membran har i varje ögonblick både en acceleration, en hastighet och en förskjutning. Och vid tex ett stopp måste alla dessa rörelser omedelbart gå till noll. Detta styr förstärkaren genom att ändra strömmatningen till 0. När den gör det kommer membranet vilja återgå direkt till vila, och då skapar membranet en mot-EMK.

I princip alla slutsteg är spänningsstyrda, och det vore ingen konstighet så länge impedansen är linjär. Men det är den som bekant inte. Så, varför är förstärkare spänningsstyrda och hur påverkas ovanstående beteende vid strömdrift jämfört med spänningsdrift?

 

Först en schematisk bild över skillnaderna mellan spännings- och strömdrivning:

 

 

R i den högra bilden är ett motstånd med låg resistans som ligger i serie med talspolen och då man mäter spänningen över detta och skickar tillbaka till förstärkaren blir det en strömförstärkare eftersom man styr på den ström som blir och inte på spänningen över talspolen som blir fallet i den vänstra uppkopplingen. En strömförstärkare försöker alltid att hålla strömmen ut proportionell mot spänningen in och om det blir impedansvariationer i högtalaren kommer fortfarande strömmen att hållas proportionell mot insignalen med högre utspänning som följd och det blir samma sak som om det sitter ett stort motstånd på utgången, dvs det blir oändlig utimpedans med en ideal strömförstärkare.

Vi har använt "testelementet" Scan-Speak 22W/8534G00 för de flesta simuleringarna i artikeln om högtalare, av det enkla skälet att specifikationerna är tydliga och drivern beter sig normalt.

Här ser vi en krets med enbart den drivern med den enklast möjliga förstärkaren för spänningsdrift:

 

 

 

Och motsvarande för strömdrift:

 

 

 

 

Om vi börjar med högtalarens impedansgång och känslighet. Impedansen beräknas som spänningen över RmeasV och strömmen genom RmeasA så att . Impedansens fasgång är helt enkelt fasskillnaden mellan spänning och ström. Känsligheten beräknas med strömmen genom Rer1 så att .

Såhär ser det ut för de både kretsarna ovan:

 

 

 

 

Här ser vi magnitud och fas för spänning och ström över Rer1 med de båda drivningsprinciperna. Jag plottar både spänning och ström trots att de är identiska uttryckta i dB. Det är självklart för en elkunnig eftersom kretsen där enbart är resistiv. Men det är inte självklart för icke elkunniga om det inte påtalas:

 

 

Och här ser vi tillhandahållen effekt som beräknats som produkten av spänningen över RmeasV och strömmen genom RmeasA samt cos för fasskillnaden mellan spänning och ström. Verkningsgraden har beräknats som förhållandet mellan akustisk strålningseffekt och tillförd effekt (  ):

 

 

 

 

Den kraft som driver membranet i en högtalare är proportionell mot strömmen genom talspolen. Vid spänningsdrift blir kraften omvänt proportionell mot högtalarens olinjära impedans, dvs . Vid strömdrift har förstärkaren mycket högre utgångsimpedans än högtalarens impedans, vilket medför att ändringar i talspolens resistans pga värme, induktans eller mot-EMK inte har någon inverkan på den drivande kraften. När man driver med den storhet som direkt påverkar rörelsen fås lägre distorsion och minskade problem med sekundäreffekter som ger egenljud i högtalarna.

 

Varför har vi då inte strömdrift till alla högtalare?
- Branschen vill att man ska kunna byta förstärkare oberoende av högtalare och vice versa. Vid strömdrift måste man i princip anpassa antingen högtalaren eller förstärkaren, eller både och, för att dämpa membranens grundresonans. Det kan också behövas en extra krets för att hantera obelastad strömförstärkare.

 

Man ser att om en komplett högtalare med ovanstående element (och ett par element till plus delningsfilter, kabinett och portar) skulle vara voicad för spänningsdrift så skulle dels porten vara avstämd att ge för mycket bas vid strömdrift, dels skulle filtret dela vid fel frekvenser.

 

Om man jämför den effekt som förstärkaren tillhandahåller, så ser man att vid spänningsdrivning så är effekten en spegling av högtalarens impedans. Förstärkaren tycks fokusera på att hålla spänningen konstant oavsett strömförbrukning och det som händer i en högtalare är att strömmen genom talspolen minskar när impedansen stiger på grund av de inneboende reaktiva komponenterna. Vid strömdrift är effekten i princip konstant förutom vid membranets grundresonans.

 

Men vad händer om förstärkaren (eller dess nätdel) inte kan leverera den ström som högtalarens impedansgång och känslighet kräver?
- Distorsion! 

 

Vi kan sammanfatta matematiskt, att vid strömdrift är det dynamiska beteendet för en driver:

Dvs driverns rörelse är enbart styrd av strömmatning.

 

Och vid spänningsdrift:

Dvs driverns rörelse är förutom spänningsmatningen även styrd av högtalarens impedans.

 

 

Anm

Samtliga simuleringar förutsätter steady state småsignal. Det finns en rad andra aspekter som inverkar vid tex transient signal och stora konrörelser.