LUIDSPREKERKASTEN ONTWERPEN - ELEKTOR.nl

LUIDSPREKERKASTEN
ONTWERPEN
tweede herziene en uitgebreide editie
Vance Dickason
Uitgeverij Segment B.V.
Postbus 75, 6190 AB Beek (L)

Inhoud
Voorwoord 11
1 De werking van luidsprekers 13
1.1 De elektrodynamische luidspreker 13
1.2 Het aandrijfsysteem 13
1.2.1 Vorm van de luchtspleet en de krachtfactor 15
1.2.2 Kortsluitwindingen en “Faraday-loops” 16
1.2.3 De spreekspoel — spoellichaam en wikkelmethode 18
1.3 De membraan 20
1.3.1 Resonantiemodi van de membraan 21
1.3.2 Richtwerking van de membraan 22
1.3.3 Vorm van de membraan 22
1.3.4 Stofkap 22
1.3.5 Dome-vormige membraan 25
1.4 Het ophangsysteem 25
1.4.1 Ophangring 25
1.4.2 Centreerring 27
1.4.3 Lineaire en progressieve ophangsystemen 27
1.5 Een model voor de luidsprekerimpedantie 27
1.6 Vermogen, rendement en de afmetingen van de luisterruimte 28
1.7 Het ontwerpen van luidsprekerchassis 29
1.7.1 Ontwerp van een woofer voor een gesloten behuizing 31
1.7.2 Ontwerp van een woofer voor een reflexbehuizing 35
1.7.3 Ontwerp van een woofer voor een bandpassbehuizing 36
1.7.4 Ontwerp van een woofer voor een compacte gesloten box 38
1.7.5 Dynamische aspecten van een uítstekende poolkern 40
2 De gesloten lagetonen- luidsprekerbox 43
2.1 Definitie 43
2.1.1 Begrippen 43
2.2 Historisch overzicht 44
2.3 De Q-factor van het chassis en de weergavekarakteristiek van de behuizing 44
2.3.1 Andere methoden om de “Q” van een box te analyseren 46
2.4 Keuze van de woofer en constructie van de behuizing 48
2.5 Bepaling van de afmetingen van de box: relevante parameters 49
2.5.1 Variaties in de waarde van Q ts ,f s en V as 55
2.6 Andere parameters 55
2.6.1 Referentie-rendement 55
2.6.2 Akoestisch uitgangsvermogen bij maximale membraanuitwijking 56
2.6.3 Maximaal elektrisch ingangsvermogen 57
2.7 Voorbeeld-ontwerptabellen 57
5

Inhoud
2.7.1 Minimale grensfrequentie 58
2.7.2 Dynamische veranderingen in de weergavekarakteristiek 59
2.8 Opvulling van de box met dempingsmateriaal 61
2.8.1 Methoden om het vullingspercentage te berekenen 62
2.8.2 Empirische vergelijking van verschillende dempingsmaterialen 63
2.9 Systemen met meer dan één woofer 72
2.9.1 Standaardconfiguratie 72
2.9.2 Push-pull-configuratie 74
2.9.3 Compound-configuratie 74
2.10 Elektronisch gecorrigeerde gesloten boxen 76
2.11 Massavergroting 77
2.11.1 Eenvoudige massavergroting 77
2.11.2 Passief gecorrigeerde luidsprekers met vergrote massa 79
2.12 Bandpass-behuizingen met gesloten achterste kamer 82
2.12.1 Definitie 82
2.12.2 Aanvullende parameters 82
2.13 Historisch overzicht 82
2.14 Keuze van de woofer 82
2.15 Berekening van de afmetingen van de box 82
2.16 Ontwerpvoorbeeld en computersimulatie 84
2.17 Variaties op het thema bandpass-behuizing 87
2.18 Aperiodiek gedempte gesloten luidsprekersystemen 88
3 Basreflexboxen 91
3.1 Definitie 91
3.2 Historisch overzicht 91
3.3 De “Q” van het chassis en de weergave- eigenschappen van de behuizing 92
3.4 Keuze van de woofer 92
3.5 Afstemmingen 92
3.6 Bepaling van de afmetingen van de box: relevante parameters 96
3.6.1 Kastverliezen 102
3.6.2 Toepassing van de ontwerptabellen 103
3.7 Berekening van de afmetingen van de tunnel 103
3.7.1 Resonantie van de reflextunnel en akoestische koppeling 111
3.7.2 Afstemming van de box 113
3.8 Aanvullende parameters 114
3.8.1 Referentie-rendement 114
3.8.2 Akoestisch vermogen bij maximale membraanuitwijking 114
3.8.3 Maximaal elektrisch ingangsvermogen 114
3.9 Voorbeeld-ontwerptabellen 115
3.10 Meting van de verliesfactor Q L 116
3.11 Variaties in de frequentiekarakteristiek ten gevolge van misafstemming 117
3.11.1 Dynamische weergave-veranderingen bij verschillende afstemmingen 117
3.12 Subsone filtering 120
3.13 Demping van de luidsprekerbehuizing 120
3.14 Systemen met meerdere woofers 121
3.15 Resistieve en parallelle reflextunnels 121
3.16 Elektronisch gecorrigeerde basreflexboxen 122
6

Inhoud
3.17 Bandpass-behuizingen met open achterste kamer 124
4 Lagetonen-systemen met passieve membraan 127
4.1 Definitie 127
4.2 Historisch overzicht 127
4.3 De “Q” van het chassis en de weergaveeigenschappen van de behuizing 127
4.3.1 Keuze van de woofer 128
4.4 Afstemmingen 128
4.4.1 Bepaling van de afmetingen van de box: relevante parameters 130
4.5 Bepaling van de compliantieverhouding voor passieve stralers 131
4.5.1 Het gebruik van tabel 4.1 132
4.5.2 Plaatsing van de passieve straler en akoestische koppeling 132
4.5.3 Afstemming van de box 132
4.5.4 Aanvullende parameters 132
4.5.5 Voorbeeld-ontwerptabellen 133
4.5.6 Meting van de verliesfactor 133
4.5.7 Variaties in de weergave 134
4.5.8 Subsone filtering 134
4.5.9 Demping 134
4.6 Bandpass-behuizingen met passieve stralers 134
4.7 APR: Augmented Passive Radiator 136
4.7.1 Definitie 136
4.7.2 Historisch overzicht 136
4.7.3 Configuratie 136
4.7.4 Keuze van de woofer 136
4.7.5 Afstemmingen 136
4.7.6 Bepaling van de afmetingen van de box 137
4.7.7 Het gebruik van tabel 4.4 137
4.7.8 Akoestische koppeling tussen luidspreker en APR 138
4.7.9 Afstemprocedure voor een APR-systeem 138
4.8 Aanvullende parameters 138
4.8.1 V pr bij APR-systemen 138
4.8.2 Voorbeeld-ontwerptabel 138
4.8.3 Verandering van de weergave bij misafstemming 139
4.8.4 Subsone filtering 139
4.8.5 Demping 139
4.8.6 Systemen met twee woofers 139
4.9 De “akoestische hefboom” 139
5 Transmission-line-systemen 143
5.1 Definitie 143
5.2 Historisch overzicht 144
5.2.1 Modellering van het gedrag van een transmission-line 145
5.3 Demping van een transmission-line 150
5.3.1 Verschijningsvormen van de transmissielijn 152
5.4 Afstemmingstabellen voor transmission-lines 153
5.5 Artikelen over de constructie van TL-systemen 155
7

Inhoud
6 astconstructie: vorm en demping 159
6.1 Vorm van de behuizing en de weergavekarakteristiek 159
6.2 Vorm van de behuizing en staande golven 161
6.3 Demping van de behuizing 162
7 Midden- en hogetonenchassis: toepassing en behuizing 167
7.1 Toepassing 167
7.1.1 Bandbreedte van de chassis en overnamefrequentie 167
7.1.2 Twee- of drieweg-systeem? 168
7.2 Reflecties tegen de wanden en de overnamefrequentie 168
7.3 Afstand tussen de chassis en horizontaal afstraalgedrag 169
7.4 De behuizing van de middentoner 170
7.4.1 Het klankbord voor de middentoner en de tweeter 171
8 Passieve en actieve wisselfilters 175
8.1 Passieve wisselfilters 175
8.1.1 Historisch overzicht 175
8.2 Wisselfilters: de beginselen 176
8.2.1 Tweeweg-wisselfilters —
weergave van het hoogdoorlaat/laagdoorlaat-somsignaal 178
8.2.2 Allpass- en faselineaire wisselfilters 180
8.2.3 Het akoestische somsignaal: het akoestisch centrum en het ZDP 180
8.2.4 Invloed van het wisselfilter op het afgestraalde akoestische vermogen 185
8.3 Eigenschappen van tweeweg-wisselfilters 186
8.3.1 Ontwerpformules voor tweewegfilters 204
8.4 Drieweg-wisselfilters 206
8.4.1 Eigenschappen van drieweg-wisselfilters 206
8.4.2 Ontwerpformules voor drieweg allpass-filters 207
8.4.3 Toepassing van de ontwerpformules 210
8.4.4 Wisselfilters in de praktijk 212
8.4.5 Meting van de karakteristiek ten behoeve van het ontwerp
van het wisselfilter 218
8.5 Compensatie van de belasting door de luidspreker 219
8.5.1 Seriefilters als zuigkring 219
8.5.2 Lineariseren van het impedantieverloop 220
8.6 Verzwakkerschakelingen 221
8.6.1 Berekening van L-verzwakkers 234
8.7 Schakelingen om de weergavekarakteristiek te beïnvloeden 234
8.8 Spoelen voor wisselfilters 237
8.9 Condensatoren voor wisselfilters 240
8.10 Passieve filters voor gevorderden 240
8.11 Actieve wisselfilters 240
9 Metingen aan luidsprekers 245
9.1 Inleiding 245
9.1.1 Definities 245
9.2 Het “inspelen” van een luidspreker 246
9.3 Meting van de resonantiefrequentie (f s ) 247
8

Inhoud
9.3.1 Meting van de impedantie 247
9.3.2 Meting van de complexe impedantie 250
9.4 Massa van de meetrillende lucht 253
9.4.1 De bewegende massa van een chassis 253
9.4.2 Berekening van de compliantie van het chassis 254
9.4.3 Meting van de krachtfactor BL 254
9.5 Berekening van de zelfinductie van de spreekspoel 256
9.6 De inwendige weerstand R G van de versterker 256
9.6.1 De totale serieweerstand R x 257
9.7 Berekening van het equivalent volume V as 257
9.8 Meting van de Q van de luidspreker — Q ts ,Q es en Q ms 258
9.8.1 Technieken om de frequentiekarakteristiek te meten 261
9.8.2 Apparatuur om de frequentiekarakteristiek te meten 264
9.8.3 Meting van de fase 266
9.8.4 Meetmicrofoons 267
9.8.5 Meting van paneeltrillingen 268
9.8.6 Meting van de temperatuur van de spreekspoel 269
9.9 Omrekeningsfactoren 271
10 Luidsprekersystemen voor de thuisbios 273
10.1 Thuisbios versus hifi 273
10.2 Overzicht van thuisbios-systemen 275
10.3 Linker en rechter frontluidsprekers 275
10.4 Magnetische afscherming 277
10.5 Center-luidsprekers 278
10.6 Gecontroleerde vertikale richtingskarakteristiek 281
10.7 Effectluidsprekers voor surround-sound 282
10.8 Surround EX — 7.1-kanaals Dolby Digital 287
10.9 Subwoofers 288
11 Luidsprekers voor in de auto car-audio 291
11.1 Car-audio versus huiskamer 291
11.2 Gesloten ruimte versus het vrije-veld 291
11.3 De invloed van een gesloten ruimte op de lagetonenweergave 292
11.4 Computersimulatie van de weergave in een gesloten ruimte 294
11.5 Tips voor een goed “stereo-midden” 299
11.6 Demping van bijgeluiden 304
12 CAD-software voor het ontwikkelen van luidsprekersystemen
en de afstemming daarvan op de luisterruimte 307
12.1 Software voor het ontwerpen van luidsprekersystemen 307
12.2 Software voor het analyseren van de luisterruimte 318
12.3 Analyzers op basis van geluidskaarten 321
13 Twee luidsprekersystemen: home theater en studiomonitor 325
13.1 Het LDC6 home theater-systeem 325
13.2 De LCR-luidsprekers 326
13.2.1 De woofers 326
9

Inhoud
13.2.2 De tweeter 328
13.2.3 Simulatie van het wisselfilter 329
13.2.4 Het uiteindelijke prototype 332
13.2.5 Enkele opmerkingen over de constructie 335
13.3 De center-luidspreker 336
13.3.1 De woofer 337
13.3.2 De tweeter 338
13.3.3 Simulatie van het wisselfilter 338
13.3.4 Het uiteindelijke prototype 340
13.3.5 Enkele opmerkingen over de constructie 342
13.4 De surroundluidsprekers voor het achterkanaal 342
13.4.1 De woofer 343
13.4.2 De tweeters 344
13.4.3 Simulatie van het wisselfilter 345
13.4.4 Het uiteindelijke prototype 347
13.4.5 Enkele opmerkingen over de constructie 349
13.5 De actieve subwoofer 350
13.5.1 Simulatie van de woofer 350
13.5.2 Het uiteindelijke prototype 351
13.5.3 Enkele opmerkingen over de constructie 352
13.6 Het LDC6 home theater-systeem in de praktijk 353
13.7 De LDC6 studiomonitor 354
13.7.1 De woofer 354
13.7.2 De tweeter 357
13.7.3 Simulatie van het wisselfilter 358
13.7.4 Het uiteindelijke prototype 360
13.7.5 Enkele opmerkingen over de constructie 361
13.8 Subjectieve beoordeling van de LDC6 studiomonitor 363
14 Nog meer CAD-software 365
14.1 CAD-programma’s voor het ontwerpen van luidsprekersystemen 365
14.2 Overzicht van enkele andere CAD-programma’s 373
14.3 Luidsprekers op het internet 379
Nawoord 385
Index 387
10