Luidsprekers LM V201401

Transcriptie

1 Luidsprekers LM V201401

2

3 Inhoudsopgave Inhoudsopgave Inleiding Doel Werking van luidsprekers: dynamisch of elektrostatisch Werking van de dynamische luidspreker Soorten dynamische luidsprekers Indeling van luidsprekers volgens frequentieband Woofer Mid Range Tweeter Werking van de band ribbon tweeter Werking van de elektrostatische luidspreker Passieve en Actieve luidsprekers Passieve luidsprekers Actieve luidsprekers Akoestische kortsluiting en basreflex Luidspreker impedantie Demping factor of damping factor Luidspreker polariteit Figurenlijst Bronnen Vragen Luidsprekers 3/42 LM

4 1 Inleiding In een geluidsketen is de luidspreker de zwakste schakel. De keuze van een luidspreker is dus zeer belangrijk. De beste installatie zal met een minder goede luidspreker tot een slechte weergave leiden. 2 Doel Een luidspreker is een transducer, een omzetter van een energievorm naar een andere. Het is de taak van de luidspreker om een elektrisch signaal om te zetten in drukverschillen die door ons oor kunnen waargenomen worden. Een microfoon zal net het omgekeerde moeten doen. 3 Werking van luidsprekers: dynamisch of elektrostatisch Er bestaan verschillende soorten luidsprekers. De meest gebruikte is de elektrodynamische of moving coil luidspreker. Het principe berust op het feit dat, als er stoom door een geleider gestuurd wordt, die zich in een magnetisch veld bevindt hierop een kracht uitgeoefend wordt, de zogenaamde Lorenzkracht. Een dynamische luidspreker kan ook als (dynamische) microfoon gebruikt worden. Dit principe wordt veel toegepast in intercoms, walkie talkies enz. Daar de luidspreker in eerste instantie gebouwd is om elektrisch energie om te zetten in geluidsenergie zal dit minder goed van kwaliteit zijn dan een microfoon. Bij de microfoon is het membraan zo licht mogelijk om te kunnen reageren op minimale drukverschillen, bij de luidspreker moet het membraan (hier conus) genoemd zoveel mogelijk lucht in beweging brengen. Een tweede type is de elektrostatische luidsprekers. Bij dit type luidsprekers wordt gebruikt gemaakt van de wetten van de elektrostatica. Dit type luidsprekers wordt in de praktijk minder vaak gebruikt Werking van de dynamische luidspreker Zoals hierboven reeds aangehaald ontstaat er een Lorentzkracht op een stroomvoerendegeleider in een magnetisch veld. Voor één geleider is de lorentzracht vectorieel: Luidsprekers 4/42 LM

5 F B. I. l B het magnetisch veld in Tesla of Wb/m² I destroomin Ampère l de lengte F L L van de geleider in meter de grootte van de kracht in Newton Voor meerdere windingen : F met B. I. l. n n het aantal windingen Is de hoek tussen F L L B. I. l. n.sin Hierin is geleider θ de hoek tussen I en B en magnetisch veld geen 90 dan wordt de formule : Herhaling Lorentzkracht: Fig. 1: doorsnede van een dynamische luidspreker Een spreekspoel van meerdere wikkelingen wordt ondergebracht in de luchtspleet van een permanente magneet. De spreekspoel is mechanisch verbonden met de conus die, op zijn beurt, via een soepele ophanging verbonden is met het frame van de luidspreker. Stuurt men een wisselende stroom door de spreekspoel dan er een wisselend magnetisch veld in de spreekspoel opgewekt worden. Daar de spreekspoel opgesteld staat in het permanente magnetisch veld van de vaste magneet zal de spreekspoel en de daaraan verbonden conus heen en weer gaan op het ritme van de stroomwisselingen (frequentie van het aangelegde signaal). De grootte van de beweging zal afhankelijk zijn van de amplitude van de aangelegde wisselstroom. Luidsprekers 5/42 LM

6 Een grote stroom zorgt voor een grote uitwijking van de spreekspoel en dus van de conus. Hieruit volgt een grotere druktoename of drukafname in de lucht. Bestudeer de werking van de luidspreker door middel van de Powerpoint presentatie in bijlage. luidsprekers.ppt. Fig. 2 In welke richting gaat de spoel? Fig. 3: de stroomzin is nu andersom, in welke richting gaat de spoel? Luidsprekers 6/42 LM

7 3.1.1 Soorten dynamische luidsprekers Eén luidspreker kan nooit het volledige frequentiegebied bestrijken. Een lage-tonen luidspreker of woofer moet een grote oppervlakte hebben, hierdoor heeft deze een grote massa en is bijgevolg ongeschikt om hogere frequenties weer te geven. Een hoge-tonen luidspreker of tweeter moet zeer snel kunnen bewegen. Voor een goede impulsweergave moet deze snel stilvallen eens de impuls wegvalt (stroom). Hiervoor moet de massa klein zijn. Bijgevolg is deze ongeschikt voor het weergeven van lage tonen. Naargelang het ontwerp en het frequentiebereik van de luidspreker, wordt er gewerkt met een éénweg- (één luidspreker), twee-weg-systeem (twee luidsprekers) of een drie-weg systeem (drie luidsprekers). Bij meerweg systemen worden filters toegepast zodat enkel de gewenste frequenties aangeboden worden aan de luidsprekers. De luidsprekers worden dan niet belast met stromen die ze toch niet kunnen volgen. Hierdoor komt die de weergave van de gewenste frequenties niet in het gedrang. 4 Indeling van luidsprekers volgens frequentieband Over het algemeen worden de luidsprekers volgens de frequentieband als volgt ingedeeld lage tonen of woofers midden tonen of mid-range hoge tonen of tweeters. Een woofer zal altijd vooraf gegaan worden door een laag-doorlaatfilter, een tweeter door een hoog-doorlaatfilter en een mid-range door een band-doorlaat filter. Deze filtering kan passief of actief zijn (zie verder). Bekijken we nu aan de hand van een paar voorbeeldluidsprekers (Visaton) de verschillende types dynamische luidsprekers. In deze voorbeelden staan ook de specificaties van luidsprekers. Meer info over metingen op luidsprekers vind je op onderstaande links. Luidsprekers 7/42 LM

8 4.1 Woofer De woofer is de grootste en de zwaarste luidspreker en dient voor de weergave van de lage frequenties. Hij heeft een grote conus en een dus een grote massatraagheid. Fig. 4: voorbeeld van een woofer (Visaton) Luidsprekers 8/42 LM

9 Technical Data: Rated power 200 W Maximum power 300 W Nominal impedance Z 8 Ohm Frequency response fu 3000 Hz (fu: Lower cut-off frequency depending on cabinet). Mean sound pressure level 89 db (1 W/1 m) Maximum cone displacement 28 mm Resonance frequency fs 31 Hz Magnetic induction 1,3 T Magnetic flux 1600 µwb Height of front pole-plate 8 mm Voice coil diameter 50 mm Height of winding 25 mm Cutout diameter 235 mm Net weight 4,5 kg D.C. resistance Rdc 5,7 Ohm Mechanical Q factor Qms 4,33 Electrical Q factor Qes 0,32 Total Q factor Qts 0,30 Equivalent volume Vas 73 l Effective piston area Sd 314 cm² Dynamically moved mass Mms 49 g Force factor Bxl 13,0 T m Inductance of the voice coil L 1,7 mh Tabel 1: Specificaties van de woofer Luidsprekers 9/42 LM

10 Fig. 5: Frequentie en impedantiekarakteristiek van de woofer Fig. 6: Waterval grafiek Luidsprekers 10/42 LM

11 4.2 Mid Range Mid-ranges bestaan in cone en dome vorm. Ze dienen de middenfrequenties weer te geven. Ze zijn als het ware een kruising tussen woofer en tweeter. Dome vorm Cone vorm Fig. 7: done en cone In ons onderstaand voorbeeld tonen we een mid-range met cone bouwvorm. Fig. 8: Een cone mid range (visaton) Luidsprekers 11/42 LM

12 Technical Data: Rated power 60 W Maximum power 90 W Nominal impedance Z 8 Ohm Frequency response fu 8000 Hz (fu: Lower cut-off frequency depending on cabinet). Mean sound pressure level 90 db (1 W/1 m) Maximum cone displacement 11 mm Resonance frequency fs 57 Hz Magnetic induction 0,95 T Magnetic flux 450 µwb Height of front pole-plate 6 mm Voice coil diameter 25 mm Height of winding 12 mm Cutout diameter 115 mm Net weight 1 kg D.C. resistance Rdc 5,4 Ohm Mechanical Q factor Qms 4,39 Electrical Q factor Qes 0,52 Total Q factor Qts 0,46 Equivalent volume Vas 9,1 l Effective piston area Sd 79 cm² Dynamically moved mass Mms 7,4 g Force factor Bxl 5,6 T m Inductance of the voice coil L 0,8 mh Tabel 2: Specifiaties va de mid-range Luidsprekers 12/42 LM

13 Fig. 9: Frequentie en impedantie karakteristiek va de mid-range 4.3 Tweeter De Tweeter verzorgt de weergave van de hoogste frequenties. Tweeters zijn over het algemeen in drie bouwvormen te verkrijgen: Dome, cone en hoorn. Fig. 10: Voorbeeld van een hoorn tweeter In het voorbeeld hieronder ziet u een dome tweeter. Luidsprekers 13/42 LM

14 Fig. 11: Een dome tweeter (visaton) Technical Data: Nominal power handling with high pass Peak power handling with high pass Nominal impedance Z Frequency response 80 W (12 db/okt.; 2000 Hz) 120 W (12 db/okt.; 4000 Hz) 140 W (12 db/okt.; 2000 Hz) 180 W (12 db/okt.; 4000 Hz) 8 Ohm Hz Mean sound pressure level 88 db (1 W/1 m) Resonance frequency fs Magnetic induction Magnetic flux Height of front pole-plate Voice coil diameter Height of winding Cutout diameter Net weight D.C. resistance Rdc 1890 Hz 1,3 T 200 µwb 2,5 mm 20 mm 2 mm 66 mm 0,39 kg 4,8 Ohm Mechanical Q factor Qms 0,36 Electrical Q factor Qes 1,34 Total Q factor Qts 0,28 Effective piston area Sd Dynamically moved mass Mms Inductance of the voice coil L 4 cm² 0,15 g 0,02 mh Tabel 3: specificaties van de dome tweeter Luidsprekers 14/42 LM

15 Fig. 12: grafieken van de dome tweeter Werking van de band ribbon tweeter Naast de moving-coil wordt bij tweeters soms gebruik gemaakt van de ribbon techniek. Bij dit type is er een dun reepje metaalfolie gespannen tussen twee magneetpolen. De stroom uit de versterker loopt door deze metaalfolie en veroorzaakt hierdoor en magnetisch veld waardoor er krachten op de folie ontstaan die zich vertalen in geluid. Het voordeel van ribbon tweeters is dat ze een uiterst geringe bewegende massa hebben en daardoor een zeer getrouwe hoogweergave (door de lage eigenmassa bijna geen uitslingertijd dus goede impulsweergave). Nadeel is de relatief hoge prijs en de kwetsbaarheid van het bandje, zowel voor invloeden van buitenaf (je moet er niet hard tegen blazen) als overbelasting. Bandluidsprekers zijn er uitsluitend voor de hogere frequenties. Luidsprekers 15/42 LM

16 Fig. 13: omdat de impedantie van een ribbon tweeter laag is wordt een impedantie transfo gebruikt In praktische constructies is het bandje geribbeld om het meer dwarsstijfheid te geven. Fig. 14: opbouw van een ribbon tweeter Fig. 15: Praktische uitvoering van een ribbon tweeter (let op het gaas om het bandje te beschermen) Luidsprekers 16/42 LM

17 5 Werking van de elektrostatische luidspreker Een elektrostatische luidspreker, of kortweg elektrostaat, is een luidspreker waarvan het principe is gebaseerd op de elektrostatische kracht. Volgens de wet van Coulomb oefenen twee geladen lichamen op elkaar een kracht F uit die evenredig is met de grootte Q1 resp. Q2 van de ladingen en omgekeerd evenredig met de afstand r tussen de lichamen en afhankelijk van de middenstof waarin die ladingen zich bevinden. In formule: Q1. Q2 F k 2 r F : de kracht in Q :de ladingen in Coulomb r : de afstand tussen de ladingen k : is ε 0 Newton de constante van Coulomb 1 4π de elektrische veldconstante 8,85.10 in m 0 12 Op basis van dit principe kan een luidspreker worden gemaakt in de vorm van een vlakke condensator. Een van de platen, de stator, is vast en de andere plaat is een beweegbare, enigszins geleidende folie. Tussen de platen wordt een spanning V gezet die evenredig varieert met het weer te geven geluidssignaal. Omdat de capaciteit van de condensator omgekeerd evenredig is met de afstand tussen de platen, is de kracht F evenredig met de aangelegde spanning. In de praktijk blijkt deze uitvoering sterk te vervormen omdat de afstand r tussen de platen varieert zodra de folie in beweging komt. Daarom plaatst men de beweegbare folie tussen twee stators. Tussen de folie en de stators wordt een vaste hoogspanning aangesloten, zodat de folie een vaste lading krijgt. Tussen de stators onderling wordt een spanning aangelegd die evenredig is met het geluidsignaal. In deze configuratie worden de vervormende effecten opgeheven en is de kracht op de folie exact evenredig met de variërende lading op de stators en de vaste lading op de folie. Om de mechanische vervorming tot een minimum te beperken en de effectiviteit te maximaliseren wordt een zeer dunne folie toegepast, met een dikte in de ordegrootte van 4 tot 12 micron. De hoogspanning op de folie varieert tussen 1000 en soms meer dan 6000V. Om de folie van hoogspanning te voorzien moet die geleidend zijn. Daarvoor wordt wel gemetaliseerde folie gebruikt, maar in de praktijk geeft een zwak geleidende folie betere resultaten. Daarvoor wordt de folie voorzien van een dunne coating van koolstof. Er zijn zelfs hobbyisten die de folie coaten met behangplaksel. Het voordeel van de elektrostaat is de geringe vervorming. Een nadeel is het geringe rendement, er is een tamelijk groot oppervlak nodig om een redelijke geluidssterkte te produceren. Elektrostaten zijn daardoor nogal groot. Een full-range elektrostaat heeft meestal een oppervlakte in de grootteorde van een halve vierkante meter. Luidsprekers 17/42 LM

18 Voor veel mensen is de elektrostaat nog altijd een geheimzinnige luidspreker. Een elektrostatisch weergavesysteem is echter betrekkelijk eenvoudig van opbouw; het bestaat uit drie delen (zie figuur ): A Het elektrostatisch luidsprekerelement; B de hoogspanningsunit; C de audiotransformator. Fig. 16: opbouw van een elektrostatische luidspreker Luidsprekers 18/42 LM

19 Het weergave element is eigenlijk heel eenvoudig van opzet. Tussen twee geluid doorlatende platen of traliewerken (statoren) is een geleidende folie gespannen: het membraan. Dit membraan wordt door middel van afstandsstukken precies tussen de statoren gepositioneerd. Dit geheel vormt twee in serie geschakelde luchtcondensatoren; de buitenste condensatorplaten zijn geluid doorlatend (akoestisch transparant. Tussen membraan enerzijds en statoren anderzijds wordt een uit de hoogspanningsunit afkomstige (negatieve) hoogspanning van enkele duizenden volt aangesloten. Voor een goede werking van het ESL-element moet de elektrische lading Q van de door membraan en statoren gevormde condensatoren constant worden gehouden; dit gebeurt door middel van een zeer hoogohmige weerstand R. Hierdoor ontstaat een zeer grote tijdsconstante en kan de lading van de condensator niet zo snel veranderen. De hoogspanningsunit bestaat doorgaans uit een cascadeschakeling van dioden en condensatoren(spanningsvermenigvuldiger) gevoed uit een op het lichtnet aangesloten transformator. Fig. 17: Spanningsvermenigvuldiger Op het membraan en de beide statoren wordt het audiosignaal uit de versterker via een audiotransformator aangesloten. Deze trafo transformeert de uitgangsspanning van de versterker zodanig omhoog dat deze hoog genoeg is om het ESL-element aan te sturen. De genoemde transformatorwerking heeft een neveneffect: dezelfde transformatieverhouding die voor het opkrikken van de audiospanning zorgt, vertaalt de impedantie aan de ELS-zijde naar een veel lagere impedantie naar de versterkerzijde. De impedanties zijn capacitief. De versterker ziet dus aan zijn uitgang een grote condensator, hetgeen problemen met de stabiliteit kan geven. Luidsprekers 19/42 LM

20 De meeste moderne versterkers zijn echter onvoorwaardelijk stabiel Sluit men een signaal op de audiotrafo aan, dan zal de spanning op de ene stator toenemen. In dezelfde mate zal de spanning op de andere stator afnemen ten opzichte van de spanning op het membraan. Door deze spanningsveranderingen zal het membraan door de positievere stator worden aangetrokken en door de negatievere stator afgestoten. Wisselt het signaal dan draait alles om. De ESL is dankzij de symmetrische opzet buitengewoon lineair en heeft daardoor een zeer lage harmonische vervorming Fig. 18: werking van de elektrostatische luidspreker Luidsprekers 20/42 LM

21 Wat zijn nu de voordelen van een full range ESL ten opzichte van een elektrodynamisch meerwegsysteem? Bij een full range ESL is opdeling van het hoorbare frequentiegebied in verschillende deelgebieden niet nodig. Dit in tegenstelling tot een meerweg elektrodynamisch weergavesysteem, waarbij men een scheiding in minstens twee frequentiegebieden moet toepassen, met de nodige nadelen voor de fasezuiverheid van het systeem. Bij een full range ESL verloopt de akoestische fase over het hoorbare frequentiegebied zeer gelijkmatig, met name door her ontbreken van frequentie-overgangen. Een ander voordeel van een ESL is dat het membraan overal, dus over her volledige oppervlak aangedreven wordt. Dit in tegenstelling tot een gewone elektrodynamische luidspreker (conusluidspreker). Doordat de massa van het ultralichte membraan zeer gering is ten opzichte van de conusmassa van een dynamische luidspreker, en er verder vrijwel geen sprake is van massatraagheid, is de impuls- en transiëntweergave voortreffelijk. Het membraan van de Sombetski ESL 120 heeft een massa van 0,02 gram (twintig milligram!). Vergelijk dat maar eens met een elektrodynamische luidspreker, voor hetzelfde frequentiebereik ( Hz), met een dynamische massa van 10 ~ 20 gram. Dus een factor lager! Heeft de ESL naast al deze sterke kanten ook nog zwakke punten? Die heeft hij zeker. Zo is door de wijze van bevestiging de bewegingsvrijheid van her membraan aan grenzen gebonden. De maximale lineaire uitslag van het membraan is dan ook beperkt. Voor de weergave van lage tonen, waarbij veel lucht verplaatst moet worden, is dan ook een groot tot zeer groot oppervlak nodig. De akoestische kortsluiting die optreed bij lage frequenties, maakt ook een groot membraanoppervlak noodzakelijk. In sommige ontwerpen wordt de ESL alleen gebruikt voor het midden en hoog. Voor de lage frequenties gebruikt men een conusluidspreker. Bij deze zogenaamde hybride systemen kan de membraanoppervlakte beperkt blijven tot ca. 0,05 tot 0,10 m 2. Een tweede nadeel van de ESL, en dan met name van de full range ESL, is het lagere rendement. Dit ligt in de meeste gevallen 2 a 10 db onder dat van dynamische weergevers die een vergelijkbaar Luidsprekers 21/42 LM

22 frequentiegebied weergeven. Dit lage rendement wordt met name veroorzaakt door de aan grenzen gebonden veldsterkte tussen her membraan en statoren (circa 3000 volt/mm). Een derde nadeel van de ESL is zijn werking als dipoolstraler, waardoor geluid aan zowel de voorzijde als aan de achterzijde wordt geproduceerd. Dit dipoolgedrag maakt de plaatsing van ESL s soms kritisch. Sommige ontwerpen dienen dan ook in verband met het bereiken van een goede balans tussen direct uitgestraald geluid en indirect (gereflecteerd) geluid, op een vrij grote afstand van de muur geplaatst te worden. Tenslotte is de bundeling van het geluid bij hogere frequenties van nature zeer sterk, zodat de ideale luisterpositie bij sommige ontwerpen aan enge grenzen gebonden is. Luidsprekers 22/42 LM

23 Fig. 19: Plaatstator elementen (solosound). Luidsprekers 23/42 LM

24 6 Passieve en Actieve luidsprekers Zoals hierboven reeds aangehaald is het de bedoeling dat elke luidspreker enkel de frequentieband te verwerken krijgt waarvoor hij geschikt is. Dit kan enkel door de luidspreker te laten vooraf gaan door een gepast filter. Dit filter kan passief zijn (enkel spoelen, condensatoren, en weerstanden in de luidspreker) of actief. Bij een passief filter gebeurt de filtering tussen de vermogenversterking en de luidspreker. Bij een actieve versterker gebeurt de filtering op signaalniveau, elk filter wordt dan gevolgd door een eigen versterker. 6.1 Passieve luidsprekers Luidsprekers met passieve filters gebruiken slechts één versterker. De versterker zit niet in de luidspreker. Het versterkte signaal wordt via de luidsprekerkabels getransporteerd naar de luidsprekerkast. In de kast wordt een scheiding gemaakt in de verschillende frequentiebanden. Fig. 20: passieve filters worden gebruikt tussen versterker en luidspreker Het nadeel van een dergelijke opzet is, dat de filters de volledige vermogens (grote stromen) moeten aankunnen. Hierdoor is het niet mogelijk deze voldoende steil te maken (max 12dB/octaaf). In de overgangsgebieden is er sprake van redelijke overlappingen wat tot cross-over vervorming kan leiden. De tweeter krijgt bvb toch nog een dosis lage tonen te verwerken waardoor deze in saturatie kan geraken en zijn hoge tonen niet meer goed kan weergeven. Een bijkomend nadeel is dat een passief filter tussen de luidspreker en de versterker komt. Hierdoor neemt de serieweerstand tussen versterker en luidspreker toe. Dit heeft een erg nadelige invloed op de demping factor (zie punt 9). Luidsprekers 24/42 LM

25 Voordeel van dit systeem is dat de filters relatief eenvoudig zijn en dat één versterker volstaat. De luidsprekerkast heeft geen voeding nodig. Er wordt immers passief gesplitst. Schema van een passief 2 weg filter of cross-over Mogelijke praktische uitvoering (binnenkant) Mogelijke praktische uitvoering (buitenkant) Fig. 21: voorbeeld van een passief filter Fig. 22: Voorbeeld van een passieve 3 weg cross-over print Meer info over wisselfilters of cross-overs: Luidsprekers 25/42 LM

26 6.2 Actieve luidsprekers Bij een actieve luidspreker wordt het frequentiegebied gesplitst op signaal niveau, dit wil zeggen vóór de versterking. De uitgang van elk filter wordt dan aangeboden aan een aparte versterker die op zijn beurt de luidspreker rechtstreeks aanstuurt. Fig. 23: actieve filtering gebeurt voor de eindversterker Hierdoor kan er met steilere filters gewerkt worden, typisch tot 24db octaaf, waardoor de cross-over vervorming afneemt. Bovendien ziet de luidspreker direct de lage uitgangsimpedantie van de versterker. Dit leidt tot een betere damping factor De damping factor zal verbeteren omdat er geen impedantie meer is van het filter tussen luidspreker en versterker (zie punt 9) Nadeel van het actief filter is dat voor elk kanaal een aparte versterker nodig is wat duurder uitkomt. Ook moet tijdens het ontwerpen van de filter, erop gelet worden, dat de fase lineariteit tussen de verschillende frequentiebanden niet teveel in het gedrang komt. Luidsprekers 26/42 LM

27 Fig. 24: De legendarische Philips Motional feedback actieve luidspreker Fig. 25: Blokschema van de Philips Motional feedback Volgende pagina, voorbeeldschema van een actief twee-weg luidsprekersysteem. Luidsprekers 27/42 LM

28 Fig. 26: schema van een actief twee-weg luidspreker systeem Luidsprekers 28/42 LM

29 7 3.5 Akoestische kortsluiting en basreflex Waarom is eigenlijk een kast nodig? Een luidspreker sluit zichzelf namelijk als het ware kort als hij zonder klankbord wordt gebruikt. De lucht die de conus aan de voorzijde verplaatst, wordt onmiddellijk naar de achterzijde van de luidspreker gezogen, omdat de achterzijde van de luidsprekerconus de tegengestelde beweging maakt. Daar kwamen de constructeurs in de beginjaren van de luidspreker ook snel achter, dus werd de luidspreker op een klankbord gemonteerd. Fig. 27: akoestische kortsluiting Hoe groter het klankbord, hoe langer de weg die de luchttrillingen moeten afleggen om van de voor- naar de achterzijde van de conus te geraken, of omgekeerd. Nu is het zo dat dit "kortsluiteffect" erger wordt bij lagere frequenties, omdat hierbij de golflengte (de afstand die een periode - oftewel slingering - van een bepaalde frequentie in de lucht aflegt) steeds groter wordt. Als de afstand tussen de voor- en achterzijde van de conus nu maar groot is ten opzichte van de golflengte van een bepaalde frequentie, dan zal de luidspreker dat niet als een kortsluiting ondervinden omdat hij alweer met een nieuwe beweging begonnen is als de vorige trilling aankomt. Met andere woorden: hoe groter het klankbord, hoe verder het frequentiebereik van de luidspreker naar beneden doorloopt (als de luidspreker er tenminste zelf geschikt voor is). Beneden een bepaald punt, meestal het kantelpunt of min-3-db-punt genoemd, begint het kortsluiteffect duidelijk merkbaar te worden en worden frequenties beneden dat punt sterk verzwakt. Nu kwam een slimmerik op het idee om dat klankbord naar achteren dicht te vouwen, zodat een gesloten kast ontstond. Luchttrillingen die door de voorzijde van de luidspreker worden geproduceerd kunnen nu niet meer de achterkant van de conus bereiken. De opgesloten lucht in de kast werkt nu als demper voor de conusbewegingen, maar ook als een veer. Afhankelijk van de inhoud van de kast en de eigenschappen van de luidspreker, gaat de luidspreker toch beneden een bepaald punt afvallen. Maar met deze constructie is een veel betere basweergave mogelijk dan met een klankbord van dezelfde afmetingen. Luidsprekers 29/42 LM

30 Fig. 28: een luidspreker in een gesloten kast Sommige mensen noemen zo`n gesloten luidspreker wel eens een hoge-druk-luidspreker. Dat is een geheel verkeerde benaming. Hoge-druk-luidsprekers bestaan echt niet, anders zou de conus van de luidspreker door de inwendige druk naar buiten gedrukt worden. De conus kan in dat geval niet meer goed werken. De binnenzijde van de gesloten kast wordt altijd zwaar gedempt (met watten, schapenwol, noppenschuim o.i.d.) om ervoor te zorgen dat de door de luidspreker in de kast afgestraalde energie zoveel mogelijk geabsorbeerd wordt. Een flink gedeelte van het door de luidspreker geproduceerde geluid wordt dus niet benut. De mens is vindingrijk, dus werden ook andere oplossingen bedacht. Een daarvan is de basreflexkast, waarbij aan de voorzijde van de luidspreker een gat met een pijp zit. Hierdoor wordt het rendement van de luidspreker bij de laagste frequenties verhoogd, doordat ook het door de achterzijde van de conus geproduceerde geluid effectief wordt gebruikt. Hoe werkt het? We hebben al verteld dat het kortsluiteffect pas een rol begint te spelen bij de lagere frequenties. Luidsprekers 30/42 LM

31 Fig. 29: basreflexkast Door nu de inhoud van de lucht in de pijp aan de hand van een ingewikkelde berekening af te stemmen op de afmetingen van de kast en de technische gegevens van de luidspreker, kunnen we bereiken dat de pijpinhoud voor hogere frequenties een barrière vormt (een soort resonantiekring) en lagere frequenties ongehinderd door laat. Bij hogere frequenties gedraagt de basreflex-luidspreker zich dus als een gewone gesloten kast. Beneden een bepaalde frequentie wordt het door de achterzijde van de conus geproduceerde geluid weer teruggevoerd door de pijp naar de voorzijde van de kast. Luidsprekers 31/42 LM

32 Fig. 30: het geluid aan de achterkant van de luidspreker is in tegenfase met dit aan de voorkant Maar dan hebben we toch weer een kortsluiting, zult u nu misschien zeggen. Nee, want bij onze berekeningen hebben we ervoor gezorgd dat de luchtmassa in de pijp een zodanige vertraging geeft, dat de conus en de lucht uit de pijp in fase bewegen, Dus als de conus naar voren beweegt, dan komt er ook lucht uit de pijp. Figuur 1: Fig. 31: door de langere afgelegde weg ontstaat er een looptijdverschil en kom de drukgolf terug in fase Luidsprekers 32/42 LM

33 Op die manier kan men een aardige baswinst behalen bij de laagste frequenties. Nadelen heeft dit principe natuurlijk ook. Zo zijn de berekeningen erg moeilijk en de berekende maten moeten zeer nauwkeurig worden aangehouden. Bovendien is het impulsgedrag wat slechter dan bij een gesloten luidspreker, maar dat is bij goede constructies nauwelijks hoorbaar. Fig. 32: labyrint kast met aparte ruimte vor de hoge tonen luidspreker Hierboven een labyrint kast, door de langere weg van het labyrint is de afstand voldoende groot zodat het geluid ook voor lage frequenties in fase gedraaid is voor het buitenkomt. Let erop dat het compartiment voor de hoge tonen afgesloten is van de lage tonen Fig. 33: Voorbeeld van een basreflex kast Luidsprekers 33/42 LM

34 8 Luidspreker impedantie Luidsprekers worden geleverd met een impedantie of weerstand van 8 Ohm of 4 Ohm. Een enkele keer zie je wel eens 2 Ohm of 16 Ohm. Voor huiskamer Hifi is 8 Ohm het meest gebruikelijk. Bij luidsprekers voor gebruik in de auto is 4 Ohm zo'n beetje de standaard. De achtergrond is de beperkte voedingsspanning van 12 Volt in de auto. Met een lagere luidspreker impedantie kun je bij de zelfde spanning meer vermogen maken. P is immers U²/R Zo kan je met een voeding van 12V een maximum peak to peak signaal van 12V hebben. Dit is een piek waarde van 6V en een effectieve waarde van 6V/1,41=4,25V Dit levert bij 4 Ohm impedantie een max vermogen op van 4,25²/4=4,5W Je kan meer vermogen uit de versterker halen door een lagere impedantie (bvb door 2 luidsprekers van 4 Ohm parallel te schakelen). Let wel dat hierdoor de stroom verdubbelt en dat niet alle versterkers dit aankunnen. Enige mogelijkheid om het vermogen te vergroten zonder de impedantie te verlagen is door de voedingspanning van de versterker te vergroten of door een zogenaamde brugschakeling toe te passen waardoor de luidspreker twee spanningen in tegenfase aangeboden krijgt. De totale spanning wordt dan U t =U 1 -U 2 en aangezien U 2 = -U 1 => U t =U 1 -(-U 1 ) = 2U 1 De spanning over de luidspreker kan verdubbelen bij gelijkblijvende voedingsspanning, hierdoor kan het vermogen verviervoudigen. P is immers U²/R. Luidsprekers 34/42 LM

35 Fig. 34: Principe van een brugversterker Alle versterkers kunnen met 8 Ohm luidsprekers werken. Ze zijn echter alleen geschikt voor 4 Ohm als dat er duidelijk op staat. Op een versterker voor 4 Ohm kun je gerust luidsprekers van 8 Ohm aansluiten, maar dan wordt het maximum versterker vermogen niet gehaald. Andersom is af te raden, want je kunt de versterker overbelasten waardoor de eindtrap defect raakt. Als men een versterker wil testen kan het soms handiger zijn een dummy voor de luidsprekers te gebruiken dan de eigenlijke speakers, dit in verband met geluidsoverlast of eventuele schade aan de luidsprekers. In eenvoudige tests kan je de luidspreker vervangen door een weerstand van 4 Ohm of 8 Ohm. In de praktijk is de luidspreker echter niet resistief, onderstaande schakeling is een realistischer vervanging voor een luidspreker. Deze schakeling gedraagt zich qua impedantie en frequentieverloop als een echte luidspreker en is berekend voor een vermogen van 100 Watt bij 8 ohm. De waarde voor 4 ohm staat tussen haakjes. Luidsprekers 35/42 LM

36 Fig. 35: dummy load voor het testen van versterkers R1 = 8 ohm (4 ohm) 100 Watt R2 = 39 ohm (18 ohm) 5 Watt R3 = 27 ohm (12 ohm) 5 Watt C1 = 200uF (400uF) bipolaire elko L1 = 0,5 mh (0,25 mh) 3A Triac/lichtnet ontstoorspoel L2 = 25 mh (12 mh) 3A Triac/lichtnet ontstoorspoel Luidsprekers 36/42 LM

37 9 Demping factor of damping factor Bij impulsweergave is het de bedoeling dat de luidspreker eveneens een impuls weergeeft en niet lang blijft uitdeinen. De conus moet, als het signaal wegvalt, zo snel mogelijk stil staan. Hiervoor is het belangrijk dat de uitgangsweerstand van de versterker + deze van de aanlsuitdraden naar de luidspreker zo klein mogelijk blijven. Immers, als het signaal van de versterk wegvalt zal de luidspreker de neiging hebben om na te trillen. OP dit moment werkt de luidspreker als bron (bewegende spoel in een stilstaand magnetisch veld) De luidspreker wordt een bron en levert een stroom die gelijk is aan: Rd1 Z out amp Z speaker E amp E speaker Rd2 Fig. 36: Vervangschema van een luidspreker op een versterker Z out = de uitgangsimpedantie van de versterker R d1, R d2 =de weerstand van de verbindingsdraden tussen versterker en luidspreker Z speaker = de impedantie van de luidspreker E speaker = als de luidspreker natrilt is wordt dit een bron E Amp = als de vesterker signaal levert is dit een bron. Als er geen signaal is is E amp te beschouwen als een kortsluiting. In bovenstaande formule is er geen rekening gehouden met de impedantie van een filter. We gaan uit van een actieve luidspreker, dus luidspreker rechtstreeks aan de versterkeruitgang. Luidsprekers 37/42 LM

38 Hoe groter de stroom, hoe sneller de luidspreker zal stoppen met natrillen (De stroom van de natrillende luidspreker wekt immers een magnetisch veld op dat zijn oorzaak tegenwerkt) De verhouding Noemt men de demping factor. Hoe groter de demping factor, hoe sneller de luidspreker zal stoppen met natrillen. Fig. 37: Impulsresponse van verschillende koptelefoons Welke koptelefoon heeft de beste weergave van een blokbolf? Welke heeft de hoogste damping factor? 10 Luidspreker polariteit Het is erg belangrijk dat de beide luidsprekers van een stereo installatie met dezelfde polariteit aangesloten zijn. Als dat niet het geval is werken de luidsprekers in tegenfase, de ene conus gaat dan vooruit terwijl de andere achteruit gaat. De luidsprekers werken elkaar dan tegen. Hierdoor heb je een sterk vertekend ruimtelijk geluidsbeeld en vaak een zwakke basweergave. Luidsprekers 38/42 LM

39 Om dit te controleren is er een eenvoudige en zeer doeltreffende test Deze werkt het best als je een mono-signaal hebt, dus zet je tuner op een middengolfstation. of kies een andere geluidsbron met weinig hoge frequenties. Schuif de luidsprekers frontaal naar elkaar toe tot op zo'n 5 cm afstand. Als nu de lage tonen weergave geheel verdwijnt is er een fasefout en moet je de aansluitdraden van 1 van de luidsprekers verwisselen. Je zult horen dat de lage tonen dan weer terug zijn. Deze test controleert uitsluitend of de basluidsprekers goed aangesloten zijn. Bij gekochte luidspreker kasten mag je verwachten dat de andere luidsprekers dan ook goed aangesloten zijn. Bij zelfbouw luidsprekerkasten moet je de bedrading zorgvuldig controleren. Als je luidsprekers van verschillende merken door elkaar gebruikt kunnen er verschillen in opvatting zijn over de relatie tussen polariteit en het plus-teken of de rode stip. (De AES heeft weliswaar een norm voorgeschreven over signaal polariteit door de hele audio keten, maar ik vrees dat niet iedereen zich daar aan houdt) Door een batterij van 1.5 of 4.5 Volt aan te sluiten op de individuele luidsprekers kun je zien in welke richting de conus beweegt. Benoem de "Plus" en "Min" aansluitingen eenduidig voor alle gebruikte luidsprekers. Bedenk dat bij sommige schakelingen van het wisselfilter de middentoon luidpreker schijnbaar "verkeerd-om" aangesloten moet worden. Dit, omdat er in het filter fasedraaiing ontstaat. Als voor de bedrading naar de luidsprekers geen verschillende kleuren gebruikt zijn voor + en -, dan kan dit gemakkelijk achterhalen door de aansluiting van de versterker en luidspreker los te koppelen. Gebruik vervolgens een diode of batterij en een multimeter. Je dan makkelijk dezelfde draad aan beide kanten terugvinden. Markeer deze met een knoop of een stukje plakband of beter met wat krimpkous. 11 Figurenlijst Fig. 1: doorsnede van een dynamische luidspreker... 5 Fig. 2 In welke richting gaat de spoel?... 6 Fig. 3: de stroomzin is nu andersom, in welke richting gaat de spoel?... 6 Luidsprekers 39/42 LM

40 Fig. 4: voorbeeld van een woofer (Visaton)... 8 Fig. 5: Frequentie en impedantiekarakteristiek van de woofer Fig. 6: Waterval grafiek Fig. 7: done en cone Fig. 8: Een cone mid range (visaton) Fig. 9: Frequentie en impedantie karakteristiek va de mid-range Fig. 10: Voorbeeld van een hoorn tweeter Fig. 11: Een dome tweeter (visaton) Fig. 12: grafieken van de dome tweeter Fig. 13: omdat de impedantie van een ribbon tweeter laag is wordt een impedantie transfo gebruikt Fig. 14: opbouw van een ribbon tweeter Fig. 15: Praktische uitvoering van een ribbon tweeter (let op het gaas om het bandje te beschermen) Fig. 16: opbouw van een elektrostatische luidspreker Fig. 17: Spanningsvermenigvuldiger Fig. 18: werking van de elektrostatische luidspreker Fig. 19: Plaatstator elementen (solosound) Fig. 20: passieve filters worden gebruikt tussen versterker en luidspreker Fig. 21: voorbeeld van een passief filter Fig. 22: Voorbeeld van een passieve 3 weg cross-over print Fig. 23: actieve filtering gebeurt voor de eindversterker Fig. 24: De legendarische Philips Motional feedback actieve luidspreker Fig. 25: Blokschema van de Philips Motional feedback Fig. 26: schema van een actief twee-weg luidspreker systeem Fig. 27: akoestische kortsluiting Fig. 28: een luidspreker in een gesloten kast Fig. 29: basreflexkast Luidsprekers 40/42 LM

41 Fig. 30: het geluid aan de achterkant van de luidspreker is in tegenfase met dit aan de voorkant Fig. 31: door de langere afgelegde weg ontstaat er een looptijdverschil en kom de drukgolf terug in fase Fig. 32: labyrint kast met aparte ruimte vor de hoge tonen luidspreker Fig. 33: Voorbeeld van een basreflex kast Fig. 34: Principe van een brugversterker Fig. 35: dummy load voor het testen van versterkers Fig. 36: Vervangschema van een luidspreker op een versterker Fig. 37: Impulsresponse van verschillende koptelefoons Bronnen Vragen 1. Leg het principe van een elektrodynamische luidspreker uit 2. Kan men een elektrodynamische luidsprekers als microfoon gebruiken? Verklaar de werking? 3. Waarom is een luidspreker minder geschikt als microfoon? 4. Leg het principe van een elektrostatische luidspreker uit. 5. Welke voordelen heeft een elektrostatisch luidspreker, welke nadelen? 6. Leg het principe van een ribbon tweeter uit. Waarom wordt er een impedantietransfo gebruikt? 7. Hoe kan ik de plus van een luidspreker terugvinden als deze niet zichtbaar is? 8. Waarom moeten luidsprekers in fase staan? 9. Hoe kan ik controleren of luidsprekers in fase staan? 10. Geef twee methodes om de + en van ongemerkte luidsprekerdraden terug te vinden. Luidsprekers 41/42 LM

42 11. Teken een dome, cone en hoorn luidspreker. 12. Deel de luidsprekers in volgens frequentie gebied. 13. Teken een voorbeeld van een passief tweeweg filter. 14. Wat is het verschil tussen een passief en een actief luidsprekersysteem? Teken de blokschema s. 15. Verklaar het belang van de demping factor. 16. Wat is akoestische kortsluiting? 17. Waarom plaatst men luidsprekers in een kast? 18. Wat is een bas-reflex kast? Wat is het doel van dit systeem? Hoe bekomt men dit? 19. Bereken de afstand die nodig is tussen de achterkant van de luidspreker en de basreflex opening opdat het geluid bij 50HZ terug in fase is. 20. Wat is een labyrint luidsprekerkast? Waarom past men dit toe? 21. Een versterker wordt gevoed met een symmetrische voeding van 20V. De minimale impedantie is 8 Ohm. Hoe groot is het theoretisch maximum vermogen? 22. Waarom gebruiken we en dummy load? 23. Verklaar het principe van de brugversterker, waarom gebruiken we deze schakeling? 24. Welke twee specificaties zijn de belangrijkste om een luidspreker te kiezen volgens de specificaties van een gegeven versterker? 25. Duidt de filters en de eindversterkers aan in fig In het motional feedback systeem van Philips wordt de vervorming van de woofer gemeten met een.., dit signaal wordt teruggekoppeld naar de ingang waar het vergeleken wordt met het i..signaal in een co. of v Op die manier verkrijgen we een r lkinring die vervorming detecteert en bijstuurt. Luidsprekers 42/42 LM