Fizyka głośników - wpływ na dźwięk

[Gość stary bej]

albo rzucić jakąś podpowiedź ?

wyeliminować magnesy

[krzysztof.kr]

wyeliminować magnesy

i co dalej ? piezoelektryk czy panel elektrostatyczny ?

[Gość stary bej]

cewka w cewce i fizyka zmiennych pól

[Lech36]

i co dalej ? piezoelektryk czy panel elektrostatyczny ?

Zdecydowanie panel elektrostatyczny, choć ostatnio niestety jest w odwrocie. Nawet Martin Logan ograniczył mocno ich produkcję i weszli w kolumny klasyczne.

[misiomor]

Myślę że to jest trochę bardziej skomplikowane. Wyniki pomiarów były jednoznaczne a mianowicie przy sterowaniu wzmacniaczem transkonduktancyjnym, czyli wzmacniaczem którego pętla sprzężenia zwrotnego reguluje prąd wypływający z niego a nie napięcie, a więc siłę działającą na cewkę a co za tym idzie przyspieszenie cewki co wynika z drugiej zasady dynamiki, zniekształcenia harmoniczne były dziesięć razy mniejsze. Trzeba uczciwie powiedzieć że mierzyłem dosyć mały głośnik a więc taki który musiał mieć duże prędkości cewki w szczelinie aby uzyskać odpowiednie natężenia dźwięku ale z drugiej strony głośnik miał pierścień Faradaya który zmniejsza zniekształcenia. Faktem jest że SEM indukowane w cewce jest na tyle silne że głośnik nie jest w stanie poprawnie odtworzyć zwykłej sinusoidy która przecież nie ma dużych szybkości narastania zboczy. Nie trzeba mieć dużej wyobraźni co dzieje się w takim przypadku przy odtwarzaniu uderzenia werbla czy też sygnałów z szybkimi transjentami. Poniżej wklejam pomiar tego samego głośnika napędzanego przy pomocy lm3875 w układzie tradycyjnym i w układzie wzmacniacza transkonduktancyjnego.

 

Wykres przedstawia drugą i trzecią harmoniczna w funkcji częstotliwości.

Sprawa jest o tyle prosta że prąd w cewce przekłada się na siłę napędzającą membranę bezpośrednio przez BL. Dopiero przy większych wychyleniach owo BL jest poważnie niestałe w funkcji wychylenia. Natomiast od napięcia (wymuszanego przez tradycyjny wzmacniacz) do prądu daleka droga - przez impedancję głośnika, która jest całym zbiorem problemów z nieliniowościami, histerezami, indukcyjnościami niestałymi w funkcji wychylenia itd. zwłaszcza w tańszych głośnikach, choć to nie jest absolutną regułą.

 

Problem ze sterowaniem prądowym jest znany od lat i nazywa się Qms. Po prostu na rezonansie głośnika dostajemy bardzo wysoką dobroć, a co najgorsze rezonans jest niestały w funkcji wysterowania, wygrzewania, formowania zawieszeń itd, więc precyzyjna korekcja dopasowanym filtrem typu notch czy Linkwitz Transform raczej nie wchodzi w grę. W którymś z periodyków dla hobbystów, bodajże EdW, widziałem projekt subwoofera na wzmacniaczu transkonduktancyjnym, gdzie ten problem usiłowano rozwiązać wprowadzeniem strat mechanicznych w postaci promieniowania głośnika przez gęstą szmatę albo coś podobnego. Klasyczne ładowanie się z deszczu pod rynnę.

[krzysztof.kr]

w moich obliczeniach przyspieszenia membrany nie była brana pod uwagę żadna SEM więc można przyjąć że były to warunki idealne teoretyczne lub było to sterowanie prądowe bo obliczenia siły na cewce robiłem dla prądu. Wyniki jakie uzyskałem i tak są złe więc po uwzględnieniu warunków rzeczywistych będzie jeszcze gorzej. Moje podstawowe pytanie było czy obliczenia są prawidłowe tzn jeżeli chodzi o rząd wielkości wyników. Bo jeżeli wyszło że głośnik średniotonowy 13cm dla nie wielkich głośności ma przyspieszenia około 4,8 razy mniejsze niż wynika z przebiegu sygnału to znaczy że ten głośnik nawet sterowany prądowo nie zagra prawidłowo nawet 1kHz a co dopiero większe głośniki

[krzysztof.kr]

i jeszcze jedno pytanie które mnie od dawna nurtuje - czy jest jakiś program symulacyjny układów elektronicznych w którym można zasymulować rzeczywisty głośnik i zbadać jak on współpracuje ze wzmacniaczem ?

Dopiero taka analiza pokaże jak wzmacniacz się zachowuje. Analiza wzmacniacza osobno bez rzeczywistego żywego obciążenia( kolumna głośnikowa ) i kolumny osobno innym programem nie da odpowiedzi jak to zagra.

 

i jeszcze jedno pytanie które mnie od dawna nurtuje - czy jest jakiś program symulacyjny układów elektronicznych w którym można zasymulować rzeczywisty głośnik i zbadać jak on współpracuje ze wzmacniaczem ?

Dopiero taka analiza pokaże jak wzmacniacz się zachowuje. Analiza wzmacniacza osobno bez rzeczywistego żywego obciążenia( kolumna głośnikowa ) i kolumny osobno innym programem nie da odpowiedzi jak to zagra.

[Yoshi_80]

Być może nie szukasz problemu tam gdzie trzeba.

 

Wysunąłeś teorię, że słuchawki są szybsze od głośników i stąd się bierze owe lepsze brzmienie. Obliczyłeś przyspieszenia głośników ale nie obliczyłeś przyspieszenia słuchawek. Więc teoria nie jest potwierdzona i generalnie może wcale nie jest prawdziwa. Słuchawki mają małe masy drgające ale mają też bardzo słabe napędy w porównaniu do głośników.

[krzysztof.kr]

Wysunąłeś teorię, że słuchawki są szybsze od głośników i stąd się bierze owe lepsze brzmienie. Obliczyłeś przyspieszenia głośników ale nie obliczyłeś przyspieszenia słuchawek. Więc teoria nie jest potwierdzona i generalnie może wcale nie jest prawdziwa. Słuchawki mają małe masy drgające ale mają też bardzo słabe napędy w porównaniu do głośników.

Dlatego pytałem czy ktoś ma jakieś dane słuchawek podobne do parametrów T-S .

Może wreszcie należy skończyć z czarami w AUDIO i wrócić do zwyczajnej elektroniki inżynierii i fizyki

[misiomor]

Jak dla mnie te wyprowadzenia są błędne. Skąd przykładowo wychylenie 0.128mm dla głośnika 13cm? Powiedzmy że głośnik ma Sd = 80cm² - typowa wartość dla głośnika 13cm. Takie wychylenie (objętościowo 80cm² * 0.0128cm = 1.024cm³) przy 1kHz dałoby dość wysokie SPL równe ok. 108.5dB.

 

Problem w tym, że dla 1A płynącego przez cewkę głośnik 8ohm będzie miał nielichy problem żeby dostarczyć SPL równe 108.5dB na odgrodzie nieskończonej. Taki prąd daje moc elektryczną 4W. Żeby z takiej mocy dostać akustyczne 108.5dB, głośnik musiałby mieć efektywność mocową równą 102.5dB a więc ponad 11%. Raczej niespotykane w głośnikach w ogóle, chyba że w jakichś tubowcach o bardzo zawężonym promieniowaniu.

 

Z podanych parametrów (ode mnie Sd =80cm² - brakowało w pierwszym wpisie, BL = 6 N/A, Mms=6g i Re = 8ohm) dostaję efektywność na poziomie 0.44% a więc 88.4dB. Przy 1A prądu szczytowego a więc 4W mocy głośnik dostarczy co najwyżej 94.4dB w odległości 1m a nie żadne 108.5dB. Dlatego założone na początku wychylenie jest zupełnie nierealne.

 

Nawet przyjęcie większego Sd nic nie pomoże, bo wtedy wychylenie 0.128mm z pierwszego posta będzie oznaczało większe SPL i jeszcze wyższą wymaganą efektywność.

[krzysztof.kr]

dla głośnika 13cm +/- 0,128mm

dla głośnika 16,5cm +/- 0,064mm

dla głośnika 20cm +/- 0,032mm

rzeczywiście jest pomyłka a tyle razy sprawdzałem ale jak wiadomo samemu trudno znaleźć własne błędy. Powinno być 4 razy mniej czyli:

dla głośnika 13cm +/- 0,032mm

dla głośnika 16,5cm +/- 0,016mm

dla głośnika 20cm +/- 0,008mm

więc przyspieszenia wyjdą :

dla głośnika 13cm 1195 m/s2

dla głośnika 16,5cm 597,5 m/s2

dla głośnika 20cm 298,75 m/s2

czyli w warunkach idealnych ( praca tłokowa całej powierzchni membrany ) pomijając SEM lub przy sterowaniu prądowym byłoby prawie dobrze

[misiomor]

Z dokładnością do błędów obliczeń, przyjętych stałych typu prędkość dźwięku w powietrzu, gęstość tegoż powietrza czy założeń początkowych dla każdej sytuacji (które nie muszą być identyczne).

 

Takie obliczenia - wychodząc raz od SPL a raz od prądu, powinny dać (z dokładnością do zaokrągleń) takie same przyspieszenia. To może być tylko ćwiczenie w dyscyplinie obliczeń i przekształcaniu wzorów.

 

Naprawdę nie ma sensu wyprowadzać jeszcze raz modelu Thiele'a Smalla, chyba że dla własnej zabawy. On jest i trzyma się dobrze, został poddany naukowemu procesowi peer review i jakoś fachowcy go nie podważają.

[Seyv]

W zestawianiu kolumn ze słuchawkami całkowicie pomijasz akustykę pomieszczenia, która będzie miała duży wpływ na jak to określiłeś szybkość a raczej jego odbiór przez słuchacza.

Jeśli chodzi o werble to ich częstotliwość strojenia w zależności od średnicy mieści się od stu-paru do trzystu-paru Hz co powoduje, że w zestawach trójdrożnych łapie się w granicach podziału.

Rozważając szybkość głośnika (rozumianą jako sposób odbioru dźwięku) należy też wziąć pod uwagę jego tłumienie a z tym są związane parametry Qt.

[slawek213]

należy też wziąć pod uwagę jego tłumienie a z tym są związane parametry Qt.

 

no ale Qt to ma związek z częstotliwością rezonansową danego głośnika a podziały są najczęściej powyżej tejże.

[krzysztof.kr]

Rozważając szybkość głośnika (rozumianą jako sposób odbioru dźwięku)

rozważam szybkość głośnika a konkretnie jego membrany czysto fizycznie a dopiero wtórnie chcę to jakoś powiązać z odbiorem dźwięku. Nie obliczam też samej prędkości ale przyspieszenie jako skutek działania siły wytworzonej przez prąd płynący w cewce. Właściwie to chyba można powiedzieć tak : jest siła która pokonując bezwładność masy i oporu zawieszeń daje przyspieszenie a przyspieszenie po czasie daje prędkość membrany która sprężając i rozrzedzając powietrze daje dźwięk.

[Arachnus]

Myślę że trzeba uwzględnić całkowity brak kompresji termicznej w głośniku słuchawkowym. Działa efekt skali, mała cewka ma większą powierzchnię względem objętości niż duża, i lepiej oddaje ciepło. Pomaga też efektywność często daleko przekraczająca 100 dB. Wzmocnienia dla słuchawek też są na rynku zachowujące się jak wzmacniacz prądowy, a sterowanie prądem to całkowity brak kompresji termicznej.

 

Głośników jednak nie odważył bym się napędzać prądowo. Prąd grzeje cewkę, wzrost temperatury cewki to większy opór, który powoduje zwiększenie pobieranej mocy, i tak w koło do przepalenia cewki. Chyba żeby dać jakiś limiter z czujnikiem temperatury?

[KrzysiekA]

Głośników jednak nie odważył bym się napędzać prądowo. Prąd grzeje cewkę, wzrost temperatury cewki to większy opór, który powoduje zwiększenie pobieranej mocy, i tak w koło do przepalenia cewki. Chyba żeby dać jakiś limiter z czujnikiem temperatury?

Przede wszystkim to wzrost rezystancji jest za mały żeby nastąpiło takie zjawisko.

Wzmacniacz transkonduktancyjny to jedyny wzmacniacz który można podłączyć bezpośrednio do głośnika wstęgowego. Normalnie używa się transformatora bo wstęga ma rezystancję ułamków ohma i podłączenie normalnego wzmacniacza skończyło by się spaleniem wstęgi jeżeli wcześniej nie spaliłby się wzmacniacz. W normalnym głośniku też masz duże prądy tylko że one nie są kontrolowane przez ujemne sprzężenie zwrotne. Wzmacniacze transkonduktancyjne nie potrzebują żadnego zabezpieczenia przeciwzwarciowego. Nie da się ich spalić.

Poza tym sam wzmacniacz koryguje wzrost rezystancji cewki w wyniku wzrostu temperatury bo prąd jest regulowany ujemnym sprzężeniem zwrotnym a siła działająca na cewkę zależy tylko i wyłącznie od prądu a nie od mocy. A więc wzmacniacz transkonduktancyjny likwiduje zniekształcenia spowodowane wzrostem temperatury cewki.

A więc twoje obawy są całkowicie nieuzasadnione. Wręcz przeciwnie.

[Arachnus]

Kiedyś stosowano do takich wzmacniaczy głośniki o podwyższonej impedancji, takiej jaka dzisiaj zdarza się tylko w przypadku słuchawkowych. Nie wiem czy z powodu problemów w temperaturą cewek, czy żeby podwyższyć pasmo w szerokopasmowcu? Nelson Pass, który popełnił takowy wzmacniacz też zalecał wysoką impedancję. Nie pamiętam ile ale miałem wrażenie że takie głośniki już nie są produkowane.

[krzysztof.kr]

Myślę że trzeba uwzględnić całkowity brak kompresji termicznej w głośniku słuchawkowym. Działa efekt skali, mała cewka ma większą powierzchnię względem objętości niż duża, i lepiej oddaje ciepło. Pomaga też efektywność często daleko przekraczająca 100 dB.

wpływ kompresji termicznej na prędkość/przyspieszenie membrany można całkowicie pominąć. To jest zupełnie inna skala czasowa. wzrost rezystancji cewki od wzrostu temperatury należy rozpatrywać w skali sekundowej a zmiany prędkości/przyspieszenia zachodzą w ułamkach milisekund.

 

A efektywność słuchawek powyżej 100dB/mW wynika z innego sposobu pomiaru. Inna odległość i inna moc przyłożona do cewki

[Seyv]

jest siła która pokonując bezwładność masy i oporu zawieszeń daje przyspieszenie

Jednak w obliczeniach uwzględniasz tylko masę membrany. Wydaje mi się, że opory zawieszenia mają dość duży wpływ na przyśpieszenie. Zważywszy, że zawieszenie zachowuje się sprężyście siła oporu przy ruchu membrany do przodu będzie się odejmować od siły indukowanej przez cewkę a w przeciwnym będzie się dodawać.

Kiedyś zastanawiałem się nad wpływem kąta nachylenia membrany względem osi głośnika. Im kąt jest mniejszy tym membrana jest "sztywniejsza" i mniej się też "deformuje" jednak większe jest przesuniecie fazowe pomiędzy skrajem a środkową częścią głośnika.

[krzysztof.kr]

Jednak w obliczeniach uwzględniasz tylko masę membrany. Wydaje mi się, że opory zawieszenia mają dość duży wpływ na przyśpieszenie. Zważywszy, że zawieszenie zachowuje się sprężyście siła oporu przy ruchu membrany do przodu będzie się odejmować od siły indukowanej przez cewkę a w przeciwnym będzie się dodawać.

parę postów wcześniej pisałem o tym :

Dla pojedynczej sinusoidy rzeczywiście powinienem uwzględnić siłę resorów membrany i cewki. Siły te należałoby dodać/odjąć do siły wytworzonej przez cewkę a ponieważ chodzi o moment maksymalnego wychylenia więc te siły będą też maksymalne. Po wstępnych obliczeniach wyszło jednak że wartości sił przy tak małych wychyleniach są też małe i wynoszą dla głośników 13cm około kilka procent siły wytworzonej przez cewkę a przy większych średnicach udział procentowy jest jeszcze niższy. Obliczenie wykonałem przyjmując dane głośników 13cm parametr Cms około 0,5mm/N co wg mnie oznacza że jak do cewki/membrany przyłożymy siłę 1N to membrana będzie miała wychylenie 0,5mm ale czy tak się to liczy nie mam pewności może wypowie się ktoś kto kończył studia na kierunku elektroakustyka bo gdzie jak gdzie ale na tym forum powinno być ich sporo.

[misiomor]

To się dokładnie tak liczy. Powyżej rezonansu Mms dominuje jako przeszkoda dla wychyleń głośnika i limit efektywności. Cms nie ma w ogóle we wzorze na efektywność głośnika (asymptotyczną, powyżej rezonansu właśnie). Za to jest w nim Mms, BL, Sd i Re.

 

Cms a w obudowie zamkniętej Cmc (podatność zawieszeń i powietrza w obudowie razem) staje się dominujące poniżej rezonansu Fs (na dipolu) czy Fc (w OZ).

[krzysztof.kr]

a jeżeli chodzi o słuchawki to myślę że spróbuję to policzyć również w sposób przybliżony tzn: długość drutu z wymiarów cewki wezmę jakieś trzy przykładowe które mam rozebrane. Trzeba będzie też wziąć pod uwagę rodzaj drutu czy miedziany czy CCAW. Prąd policzę z efektywności na miliwat i dla tej samej efektywności policzę wychylenie. Najgorzej z indukcją w szczelinie. Myślę że trzeba przyjąć jakąś wartość np 1T bo chyba mniej nikt by nie projektował bo to strata parametrów a dużo więcej chyba nie może być bo nasycenie. Ale to tylko moje przypuszczenia . Może ktoś coś więcej wie i pomoże ?