Weetjes



T/S parameters

 

In het begin van de jaren 70 kwamen er twee heren met technische papieren bij de AES, de Audio Engineering Society. Dit zorgde voor een ontwikkeling van de hedendaagse parameters. De zogeheten T/S paramerers, oftwel Thiele-Small parameters.

Dit waren de heren A.N. Thiele en R.H. Small.

Thiele was ingenieur voor de Australian Broadcasting Commission en Small werkt op de Electrical Engeneering School in Sydney.

 

Hieronder een lijst met belangrijke T/S parameters:

 

B

Bl

Cas

Cms

fs

fc

f3

l

Le

Mms

Mmd

Qes

Qms

Qts

Re

Rms

SD

VAS

Vd

Xmax

 

 

Magnetische fluxdichtheid in de luchtspleet van het chassis

Krachtfactor, dit is het product van B maal l    [m/N of Tm]

Akoestische compliantie van het ophangsysteem van het chassis

Mechanische compliantie van het ophangsysteem van het chassis   [N/m]

Resonantiefrequentie van het chassis (niet ingebouwd, vrije veld frequentie)   [Hz]

Resonantiefrequentie van het chassis (ingebouwd)   [Hz]

Frequentie waarbij de output 3 decibel (dB) gedaald is

Hoogte van de wikkelingen van de spreekspoel

Zelfinductie van de spreekspoel   [mH]

Mechanische massa van het trillend systeem van het chassis (inclusief luchtmassa)  [g]

Mechanische massa van het trillend systeem van het chassis (exclusief luchtmassa)

Elektrische Q-factor van het chassis bij fs

Mechanische Q-factor van het chassis bij fs

Totale Q-factor van het chassis bij fs

Elektrische gelijkstroomweerstand van de spreekspoel [ohm]

Mechanische weerstand ten gevolge van de verliezen van het ophangingsysteem   [kg/s]

Effectieve oppervlakte van de conus [cm2]

Hoeveelheid lucht [L] met dezelfde akoestische compliantie als de mechanische compliantie (Cms)

Maximale lineaire volume verplaatsing (Sd maal Xmax)  [cm3]

Maximale lineaire conusuitslag [mm]

omhoog


 

Het chassis.

 
  1. ophangring
  2. membraan (conus)
  3. stofkap
  4. frame
  5. centreerring
  6. spoeldrager
  7. poolkern
  8. spreekspoel
  9. magneet

 

omhoog


Gesloten behuizingen

 

De makkelijkste en simpelste behuizing is de gesloten kast. Gewoon ingesloten lucht en een luidsprekerchassis. Hier kun je niet zoveel verkeerd mee doen, en de afmetingen komen veel minder nauw dan bij andere behuizingen. Een mooi voordeel van een gesloten behuizing is dat de weergavekarakteristiek en het impulsgedrag goed in de hand te houden zijn.

 

Hoe krijg je nu een goede controle en goede weergavekarakterestiek. Een methode is het meten of vaststellen van de Q factor. Bepaalde waarden van Q hebben verschillende weergave eigenschappen:

 

Qtc = 0.5

Qtc = 0.577

Qtc = 0.707

Qtc > 0.707

Kritisch gedempt, impulsgedrag is erg goed

Afstemming van Bessel, meest vlakke groeplooptijd

Butterworth afstemming, maximale vlakke weergave met laagste onderste grensfrequentie

Chebychev afstemming, maximale belastbaarheid en rendement. Impulsgedrag is wat minder hier.

 

 

 

 

Tsja, en

 

Wat moet je nou met die waarden. Gaat de Q factor richting de 1 zal de speaker een vol en stevig beeld neerzetten.

Lagere waardes van rond de 0,8 worden al wat gedetailleerder en hebben een beter impulsgedrag. Nog lagere waardes van 0,5 worden wat overdreven strak  In de grafiek hieronder zie je wat bedoelt wordt.

 

 

 

Gesloten behuizingen vragen over het algemeen voor woofers met een Qts van meer dan 0.3.

Wat vaak wordt toegepast bij een gesloten behuizing is de zogenaamde elektronische correctie.

Veel subwoofers die gesloten zijn hebben zo'n correctie mogelijkheid.

Hieronder zie je een simulatie van een Seas woofer in een 55 liter gesloten behuizing.

 

 

De blauwe lijn is met een elektronische correctie van 8 dB bij 24 Hz.

Zeker een leuke grafiek zo. Je ziet dat f3 met 18 Hz gezakt is. De ongecorrigeerde behuizing zit op 42 Hz en de gecorrigeerde behuizing zit opeens op 24 Hz. 

Maar wat erger is, is dat de groeplooptijd (groupdelay) omhoog geschoten is van 6 ms naar een onacceptabele 20,3 ms

 

 

Dan de uitwijking van de speaker, Xmax. Bij een normale simulatie lijkt daar niets mis mee. De simulatie wordt gedaan met een "vermogen" van 1 Watt. Maar voer dit vermogen eens op naar een kleine 20 Watt. Hieronder zie je wat er aan de hand is.

 

 

De dunne horizontale lijn geeft de Xmax van de gebruikte speaker weer. Je ziet dat bij onze gekozen elektronische correctie het een erg leuke frequentiegrafiek gaf, maar de Xmax en groeplooptijd totaal niet goed zijn.

 

Hoe daar dus rekening mee als je gaat ontwerpen.

 

omhoog


Basreflex behuizingen

 

Een grafiek van een basreflex behuizing ziet eruit als een 24dB/octaaf hoogdoorlaatfilter. Dit type behuizing heeft ten opzichte van de hierboven beschreven gesloten behuizing een aantal leuke eigenschappen.

Zo is de Xmax of membraanuitwijking rond de resonantiefrequentie van het geheel klein. Wat weer als voordeel heeft dat de vervorming afneemt en de maximale belastbaarheid toeneemt. Dan gaat de grensfrequentie omlaag en het rendement wordt hoger.

Nadeel van deze behuizing is dat hij gevoeliger is voor foutjes. Foutieve berekeningen, verkeerde parameters maken hem wat lastiger bouwen c.q. ontwerpen. Zeker als je nog niet zoveel ervaring hebt en je wil een systeem zelf gaan samenstellen en ontwikkelen is een gesloten behuizing meer aan te raden.

Het impulsgedrag van een basreflexbehuizing is ook minder goed dan van een gesloten behuizing.

 

Basreflexbehuizingen zonder elektronische correctie met een vlakke weergavekarakterestiek kunnen we onderverdelen in verschillende afstemmingen. De  meest gebruikte zijn de SSB4, oftewel "SuperBoomBox",

SC4, een 4e orde Chebychev model en Quasi-derde-orde afstemming, QB3.

 

De SBB4 afstemming wordt gekenmerkt door een wat grotere kast, lage afstemfrequentie en een goede impulsweergave.

De SC4 afstemming komt bijna overeen met de SBB4 afstemming, maar met een iets minder goed impulsgedrag.

De QB3 afstemming komt het meeste voor vanwege de kleinere kast met toch een lagere f3. Klein nadeel is weer de wat mindere impulsweergave.

Hieronder zie je de drie in wat grafieken weergegeven.

 

SPL

 

 

Impedantie

 

Groepsvertraging

 

De f3 van de drie afstemmingen in dit voorbeeld is voor SBB4 90,6Hz, voor SC4 85,8Hz en voor QB3 82,2Hz

 

De gebruikte tunnel (basreflexbuizen) kun je in verschillende vormen en maten krijgen of maken. Als je zeker van je zaak bent kun je hem vierkant maken, van hout bijvoorbeeld. Alleen fine-tunen is dan wel erg lastig. Je kan ook een tunnel speciaal voor dit doel kopen, of je gebruikt een gewone PVC-pijp. Wekt prima, al is de echte gekochte BR-pijp vaak wat afgerond wat een beter luchtstroom en dus minder poortruis veroorzaakt. Bij de gewone PVC-pijp is dit ook te doen door middel van een 6 mm dikke afwerplaat van bijvoorbeeld MDF over de ingebouwde pijp te plaatsen en met een bovenfrees wat rond te maken. Hieronder zie je een voorbeeld.

 

 

De kast is van dik (18 of 22 mm) MDF met daarin de vastgelijmde PVC-pijp. Over alles dan de dunne laag MDF en afronden met de frees. Wel even goed aftekenen want ging bij mij ook een keer mis.

 

Bij het plaatsen van een tunnel hou er rekening mee dat er voldoende afstand van de achterwand wordt gehouden. Een minimale afstand is 7,5 cm. Lukt dit niet door de kleine kast of lange pijp, maak dan een knik in de pijp. Maar pas op met te lange pijpen. Er kan daardoor veel poortruis of ongewenste resonantie in de pijp optreden. (orgelpijp idee).

De basreflexpijp kan ook achter in de behuizing geplaatst worden. Hierdoor verandert de laagweergave lichtelijk, maar eventuele bijgeluiden zoals poortruis worden minder hoorbaar. Dit alles is natuurlijk erg afhankelijk waar de speaker is opgesteld.

 

Een variant op de basreflexbehuizing is de behuizing met een passief membraan. Het gebruik hiervan kent een paar leuke voordelen. Zo ben je af van poortruis en eventuele reflecties in de poort, het is makkelijker afstemmen en vooral in gebruik bij subwoofers met een kleine kast wil de basreflextunnel nog wel eens erg lang worden. Heb je met zo'n membraan geen last van.

Nadeel is er ook natuurlijk. Het impulsgedrag is minder, ze hebben een iets hogere grensfrequentie en grotere kastverliezen.

 

  

      Voorbeeld van passief membraan

 

omhoog


Transmissielijn behuizingen

 

De Transmission-line.

Een TL is een open systeem, voorzien van een baskamer

met daarop aansluitend een taps toelopend kanaal, dat

uitmond in een poort. Teneinde de kastgrootte aanvaardbaar

te houden wordt het kanaal enkele malen gevouwen en

vormt zodoende een labyrint.
De lengte van het kanaal dient 1/4 golflengte van de

grondfrequentie te zijn. Bij 30Hz is dit 2,6 meter.

Kortere kanalen van 1/6 en 1/8 golflengte worden ook

wel toegepast, maar deze vormen een compromis.
De grondfrequentie is hier de resonantie frequentie

van de toe te passen basunit.

De werking.
Wanner de pijp in resonantie is, en dit is bij 1/4 van de golflengte van de grondfrequentie, dan keert er van de poort aan het uiteinde, een reflectie terug. Deze reflectie bereikt de achterzijde van de conus in tegenfase, waardoor ongewenste conusbewegingen bij resonantie worden verminderd.
De even harmonische, die optreden op iedere kwart golflengte van de grondfrequentie, worden door het labyrint onderdrukt. Daarom is men bijzonder geÔnteresseerd in de oneven harmonische.
De reflectie van de derde harmonische bereikt het eind van de lijn in fase en geeft dus geen probleem. De vijfde harmonische komt daar uit fase en moet worden gedempt. Om deze vijfde te onderdrukken deel je de pijp in vijven. Zo krijg je drie punten in de lijn waar gedempt moet worden om een verzwakking van ca 3dB te bewerkstelligen.

De eind correctie.
Doordat de luchtdeeltjes de poort met een grote snelheid verlaten, volharden deze een korte tijd in deze beweging en "zien" daardoor een langere pijp dan er in werkelijkheid is. Dit wordt veroorzaakt door het wervelings effect. Hierdoor kan een eindcorrectie van 15 cm worden toegepast op de lengte van de pijp. 15 cm korter dus. Dit merk je vooral ook als de uitgang van de pijp bij de vloer zit en je een gladde vloer hebt.
Die 15 cm dus bij de eerder genoemde grondfrequentie van 30Hz.

 

De invloed van dempingmateriaal op de geluidssnelheid.
Wanneer dempingmateriaal in de pijp wordt aangebracht, zal er door de passerende luchtdeeltjes een warmte wisseling plaats vinden. Dit wordt het isothermisch effect genoemd. Hierdoor wordt het kastvolume schijnbaar groter en ook wordt de luchtsnelheid lager. Indien te weinig demping wordt aangebracht, wordt het maximale isothermische effect niet bereikt, terwijl met te veel demping een mechanische belemmering ontstaat. De normale geluidssnelheid is 330 m/sec en wordt onder ideale isothermische omstandigheden verlaagd tot 290 m/sec. Voor de berekeningen wordt 300 m/sec aangehouden.

Demping versus de Q-faktor van het totale systeem.

De Q-faktor oftewel de kwaliteitsfactor is een vergrotingsfactor waar mee de resonantie wordt vergroot. Indien te veel demping wordt aangebracht wordt de Q-faktor van het hele systeem laag en het geluid dik en dood.
Bij te weinig demping wordt de Q-faktor te groot en ontstaat er een bult in de weergave karakteristiek. Een boemerig geluid dus.

Het effect dat ontstaat in de woonkamer tengevolge van terugkaatsend geluid naar de speaker is te verwaarlozen. Er ontstaat door dit effect een EMK (elektromotorische kracht) in de speaker die de Q-faktor verhoogt. Gewoon vergeten.

De invloed van het taps toelopen van de line.
Indien het oppervlak van de doorsnede van de line over de gehele lengte gelijk zou zijn, wordt een bepaalde frequentie benadrukt, net als bij een orgelpijp. Daarom dient deze doorsnede naar het einde toe geleidelijk verminderd te worden, teneinde mogelijke resonanties te verminderen en te verspreiden over een breed frequentie gebied. Indien de vermindering van de doorsnede echter te groot wordt genomen, zal dit de kwaliteit van de bas weergave aantasten, hetgeen zich uit door een "opgesloten en omfloerst" geluid. Voor de duidelijkheid, dan is de uitgangsopening dus te klein.

 

Samenvatting van de werking van de TL.
1- Het versterken van de output beneden de resonantie frequentie van de speaker en het beperken van de ongewenste conusuitslagen.
2- Het dempen en beheersen van de conusbewegingen bij resonantie.
3- Versterken en het verkrijgen van een rechte weergave van 30 tot ca 120 Hz. Afhankelijk van de resonantie frequentie van de basspeaker
4- Het verzwakken van de vijfde harmonische met ca 3 dB
5- Verzwakken van de weergave boven 150 Hz.
6- Het leveren van de vereiste Q-faktor.

De praktijk.
Uitgaande van het in deel 1 genoemde 30 Hz en een tunnellengte van 2,6 meter, en een geluidssnelheid van 300 m/sec, bereken je de fundamentele resonantie van de pijp met de formule: 1/4 x C/L , dus, 1/4 x 300/260 dan kom je op 28 Hz.
De lengte van het labyrint wordt bepaald door deling van de geluidssnelheid door de resonantie frequentie en voorts verminderd met een factor die afhankelijk is van de oppervlakte van de doorsnede.
Voor het verkrijgen van de verlangde kwaliteit moet de doorsnede van het begin van de line ca 50% groter zijn dan het conus oppervlak terwijl de line eindigt met een oppervlak gelijk aan het conus oppervlak.
Het verband tussen de lengte L en de doorsnede A wordt gegeven door de volgende formule L= 1/4 x C/f - 1,7 x de wortel uit A/pi.
Hier is f de resonantie frequentie van de basunit. pi is een wiskundig begrip maar is het getal 3,14 .

 

De praktische praktijk.
TL boxen zijn er in vele uitvoeringen. De afmetingen zijn dan ook sterk afhankelijk van de manier waarop het labyrint is gerealiseerd. Maar het hoeven niet altijd bakken te zijn waar je in je huiskamer steeds omheen moet lopen. Ze zijn er ook in ranke slanke uitvoeringen. Bloemetje er op, de kleurstelling een beetje aanpassen aan de rest van het interieur, dan is iedereen blij.
Ook de positie van de speakers wordt word door de uitvoering bepaald, mijn voorkeur is hier midden en hoog boven de bas.

 

Als je meer dan 1 basunit wilt gebruiken,

in de mijne zitten er drie, dan wordt het

begin van de line niet 2 of 3 x groter.

Als je twee basunits gebruikt is de kans

groot dat er geen demping in moet.

Want het principe van de Pied piper werkt

ook in een TL. Let wel, alleen met twee!
Nog iets dat ik heb geleerd. Gebruik NOOIT een

dome middentoner in een drieweg TL.

Die sluiten in deze systemen niet aan

bij de bas. Ze noemen dat het TL gat.

 

 

 

Met dank aan Sietse voor zijn bijdrage.

 

 

omhoog