Versuch: Regelung mit einem Doppelschwingspulen-Tieftöner

cay-uwe
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Versuch: Regelung mit einem Doppelschwingspulen-Tieftöner

Beitrag von cay-uwe »

Angeregt durch die Diskussionen in Romans Thread, habe ich mir gedacht, auch etwas auszuprobieren, nämlich eine Gegenkopplung im Bass, mit zu Hilfenahme einer Spule von einem Doppelschwingspulenchassis, oder auch Twin Coil Speaker genannt.

Im Prinzip eine Sache, die mir schon lange durch den Kopf ging, der ich aber nie so richtig nachgegangen bin, obwohl es meiner Meinung naheliegend ist, als Sensor eine Komponente zu benutzen, die einen Teil des Antriebs eines dynamischen Lautsprechers identisch ist.

Einer meiner hauptsächlichen Beweggründe das zu testen ist, dass man ohne Eingriffe im Chassis, einen Sensor bekommt, nämlich die zweite Schwingspule.

Wie so oft bei vielen der Dinge die man probieren möchte ist man nicht der Erste der so etwas macht und folgende Dokumente beschreiben mal sehr tiefgründig oder auch einfacher, wie so eine Gegenkopplung funktioniert und implementiert werden kann. Daher erspare ich mir lange Erklärungen und versuche das Thema eher mit Messungen und einfachen Erläuterungen zu untermalen.

Sehr fundiert: http://140.117.55.1/~CCCheng/Pub/PIME_C08298.pdf

Etwas Praxis näher: http://www.macaulayaudio.co.uk/roaring%20sub.pdf

Gesagt getan, habe ich mich nach dem ich den Entschluss gefasst habe so ein Test zu machen, auf die Suche nach einen geeigneten Tieftöner gemacht und bin wie so oft in der „eBucht“ fündig geworden, Monacor SP-254TC, ein Auslaufmodell aus dem Car HiFi.

Kaum war der Tieftöner da, war er schon eingebaut und das Ganze sieht so aus:

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Ohne Gegenkopplung sieht der Frequenzgang des Tieftöners wie folgt aus:

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Die Messung des Schalldrucks ( SPL ) berücksichtigt die Geometrie der Box und entspricht so in etwa dessen wie sie im RAR ( reflexionsarmer Raum ) oder Freifeld sein würde. Im übrigen, ganz typisch für Car HiFi Tieftöner, die machen so um die 50 – 70 Hz einen ordentlichen „Rums“, sprich Kickbass. :-)

Nun zum eigentlichen Punkt, worum geht es bei der Regelung. Zum einen darum den Frequenzgang im Bassbereich zu entzerren, sprich glätten und tief reichender zu gestalten.

Zum anderen geht es auch darum das Impulsverhalten zu verbessern, sprich das Chassis soll nach einer Anregung schnell wieder zur Ruhe kommen und nicht wie bei den alten Amischlitten nach den Durchfahren eines Schlaglochs lange vor sich „hinschaukeln“.

Und zu guter Letzt geht es auch darum, das Klirrverhalten wenn möglich zu verbessern.

Wie das Ganze funktioniert ist recht einfach erklärt. Man stelle sich vor man soll auf einer Autobahn konstant 130 km/h fahren. Jeder von uns der Auto fährt wird unbewusst eine Regelung durchführen, indem wir auf das Tacho schauen, der uns einen IST-Wert liefert. Dieser wird dann mit den SOLL-Wert (130 km/h) verglichen. Sind wir zu schnell gehen wir vom Ganz, sind wir zu langsam geben wir Gas, sprich wir regeln. ;-)

So verhält es sich auch bei einen Lautsprecher, den wir regeln möchten. Wir brauchen dazu ein Tacho, sprich Sensor, was in diesen Fall die zweite Spule ist.

Die Frage ist, liefert die zweite Spule die richtigen Information um den Schalldruck konstant zu halten. Das soll die nächste Messung zeigen, bei der ich dem Schalldruck des Tieftöners den erzeugten Spannungsverlauf der zweiten Schwingspule in blau beigefügt habe. Dabei wurde der Tieftöner mit einer konstanten Spannung von 2 Veff angeregt.

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Ohne auf tiefere Details zu gehen kann man schon tendenziell sehen, dass wir brauchbare Informationen bekommen. Vereinfacht gesagt sieht man, dass der Sensor bei ca. 60 Hz, also im Bereich, in dem der Schalldruck zu hoch ist, das auch so meldet. Um bei der Analogie zur Autobahnfahrt zu bleiben, wir sind zu schnell und müssen von Gas. In diesen Fall, wir müssen etwas leiser machen. In Bereich unterhalb davon wird auch gemeldet wir sind zu langsam, sprich zu leise und sollten lauter werden.

Selbst der Bereich oberhalb von 60 Hz wird dementsprechend gemeldet, denn nach den Buckel wird der Schallpegel wieder niedriger, was auch der Sensor so weitergibt. Großzügig gesagt gibt es brauchbare Informationen bis ca. 1 kHz.

Dass das nur die halbe Wahrheit ist, wurde schon in vielen anderen Threads, wie auch in den verlinkten Dokumenten, erläutert und detailliert behandelt und muss von mir noch noch mal wiederholt werden. Dabei geht es im Wesentlichen darüber was tatsächlich das Signal der zweiten Schwingspule oder Sensors liefert und wie ein Verhältnis zum Schalldruck hergestellt werden kann.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, wie bereits schon erwähnt, das dynamische Verhalten des Tieftöners, sprich wie reagiert er auf Impulse, wie gut kann er dem folgen.

Darüber gibt die Sprungantwort anschauliche Informationen, die ich im nicht geregelten Zustand wie folgt gemessen habe:

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Dem Fachmann wird es bestimmt ganz übel, wenn man sie genauer betrachtet, denn ideal sollte nach der ersten Spitze, die nach oben geht, höchstens einer nach unten folgen und danach sollten keine Überschwinger mehr zu sehen sein. Hier sind mindestens fünf, die ich zur einfachen Erkennung gekennzeichnet habe. Kurz gesagt, das ist der berühmte Amischlitten, der nach Durchfahren eines Schlagloches „ewig“ nachschaukelt. :-)

Zu guter Letzt noch ein weiterer Aspekt, der durch die Regelung verbessert werden soll, nämlich der Klirr, den ich bei ca. 90dB SPL im Grundton wie folgt gemessen habe:

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Gezeigt ist die Klirrdämpfung, was eine etwas unglückliche Darstellung ist, da viele eher mit dem Klirrfaktor ( in % ) bewandert sind. Dieser lässt sich aus der Differenz vom Schallpegel und Klirrdämpfung ermitteln. Ich habe mal einen Punkt bei 70Hz markiert, der wie folgt zu interpretieren ist:

Die Magnitude, sprich in diesen Fall der Schallpegel ist 11.3dB. Die erste harmonische Verzerrung D2 ist mit -44.32dB gemessen worden. Die daraus resultierende Klirrdämpfung ist 11.3dB - (- 44.32dB) = 55.62dB, was ein Klirrfaktor K2 von 0,17% entspricht.

Bei 50Hz hätten wir einen Klirrfaktor K2 von 3,16%, bei 40Hz 5,62% und bei 30Hz 7,95%.

Das ist nur der K2 oder D2 Wert. Mit in die gesamte Klirrdämpfung gehen natürlich auch die weiteren Klirrkomponenten wie K3 ( D3 ) usw. weshalb der Gesamtklirrfaktor oder Klirrdämpfung natürlich noch ein Stück höher liegt. So z.B. ist bei 70Hz der Gesamtklirrfaktor 0,22% wenn man die K3, bzw. D3 Komponente mit berücksichtigt.

Sehr hilfreich für die Umrechnungen usw. ist einmal mehr die Sengpiel Webseite:

http://www.sengpielaudio.com/Rechner-klirr.htm

OK, das soll es im Moment für den Start sein und gerne hätte ich mehr gezeigt, da ich heute Abend die Regelung ausprobieren wollte. Dabei ist mir aber beim Zusammenschalten und Verbinden ein Fehler unterlaufen und ich habe den einzigen selektierbaren Ausgang von meinen Messgerät gehimmelt. ;-)

Nun muss es erstmal zur Reparatur und sobald es wieder da ist, mache ich hier weiter.
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RPWG
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Beitrag von RPWG »

Hallo Cay-Uwe,

Nach einwöchiger multimedialer Abstinenz komme ich auch mal dazu, mir deinen Thread anzuschauen :wink: .

Danke für deine ausführlichen Messungen.
cay-uwe hat geschrieben:Dabei ist mir aber beim Zusammenschalten und Verbinden ein Fehler unterlaufen und ich habe den einzigen selektierbaren Ausgang von meinen Messgerät gehimmelt.
Das ist sehr ärgerlich. Aber sieh es optimistisch: so hältst du uns bei der Stange :cheers: !

Ich hätte da noch ein paar spontane Fragen:
cay-uwe hat geschrieben:Das soll die nächste Messung zeigen, bei der ich dem Schalldruck des Tieftöners den erzeugten Spannungsverlauf der zweiten Schwingspule in blau beigefügt habe.
Die blaue Kurve zeigt den Verlauf der an Schwingspule 2 erzeugten Spannung? Also die Spannungsamplitude? Mich wundert gerade etwas, dass sie nicht wie erwartet mit 20 dB/Dekade abfällt, oder verstehe ich da was falsch?

Kannst du schon eine Aussage bezüglich des Übersprechens von Schwingspule 1 (der antreibenden) auf Schwingspule 2 (dem Sensor) machen? Ich habe dazu bei mir bei kleineren Pegeln die Membran mechanisch blockiert und auf dem Scope das Signal an der Sensorspule betrachtet.

Zu guter letzt: Wie ist das mit der Klirrdämpfung genau zu verstehen? Ich hätte jetzt gesagt, wenn das Diagramm -40 dB bei D2 anzeigt, dann beträgt an dieser Stelle der K2-Anteil 1%. Oder bezieht sich diese auf den vorliegenden Signalpegel? Daran war ich nämlich bei meinen Messungen auch noch am grübeln.

Ich freue mich jedenfalls schon auf eine baldige Fortsetzung des Versuchs :wink: !

Hast du eigentlich vor, die Schaltung aus dem Link zu verwenden, oder zimmerst du dir etwas eigenes?

Viele Grüße und viel Erfolg,
Roman
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cay-uwe
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Beitrag von cay-uwe »

Roman,

heute habe ich ein paar Vorbereitungen für die weiteren Messungen und Schaltung gemacht und laß Dir sagen, ich war auch etwas überrascht über den Verlauf der Spannung an der zweiten Spule. Daher habe ich das Ganze "händisch" überprüft und eine konstante Spannung von 2 Volt an der Tieftöner gelegt und einfach die erzeugte Spannung an der zweiten Spule gemessen. Dies ist das Ergebnis:

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Wenn Du in das Dokument von C.C. Cheng gehst wirst Du sehen, dass die Messungen in Fig. 5 vom Verlauf identisch sind und eine erste Messung mit einer einfachen Rückkopplung, zeigte einen ähnlichen Verlauf wie in den Dokument Fig. 11 und danach ist mir das Malheur geschehen, so dass ich sie nicht abspeichern konnte.

Mittlerweile ist das Messgerät repariert worden, habe sogar ein Upgrade auf eine neue Hardware Version bekommen und ich kann wieder messen. Das wird wohl am Samstag geschehen.

Die Klirrdämpfungsmessung bezieht sich auf den gemessenen Pegel. Das ist ja die etwas unglückliche Darstellung von der Klirrdämpfung.
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Thias
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Beitrag von Thias »

Hallo,

sorry, dass ich mit einer Grundsatzfrage komme, aber da habe ich eben eine Verständnislücke.

Nach meiner Meinung ist eine Regelung da nötig, wo das Ausgangssignal nicht mehr dem Eingangssignal folgt, da wechselnde Störgrößen die Linearität beeinflussen. Wenn die Störgrößen konstant und bekannt sind, braucht man keine Regelung, da reicht eine einfache Steuerung.

Warum soll der lineare Frequenzgang geregelt werden? Die Störgrößen sind bekannt und konstant und lassen sich mit einem einfachen EQ korrigieren. Die Regelung macht da auch nichts anderes, in bestimmten Frequenzbereichen wird mehr oder weniger verstärkt. Änderungen gibt es da keine. Um den Schalldruck konstant zu halten braucht man doch keine Regelung, es sei denn man bezieht den Raum mit ein. Ein Messmikrofon am Hörplatz wäre da schon hilfreich, geht aber nicht wenn mehrere Schallquellen agieren. Auch deshalb erscheint es mir deutlich zielführender eine Steuerung per Filter auf den Hörplatz abgestimmt. Eine statische Korrektur reicht dort, es sei denn man räumt das Zimmer ständig um oder es sind immer unterschiedliche Hörerzahlen.

Im Phasenverhalten könnte es schon sinnvoller sein (bei gleichen Lautsprechern und damit gleichen Fehlern spielt das auch nur eine untergeordnete Rolle), aber auch da ist man mit FIR-Korrektur flexibler. Die Phasen sind auch konstant und ändern sich nicht.

Einzig beim Klirr scheint mir eine Regelung Sinn zu machen, sprich die Membran folgt nicht mehr dem Signalverlauf. Das spielt dann eine große Rolle, wenn die Lautsprecher im Grenzbereich betrieben werden.

Oder gibt es auch andere Gründe einen Lautsprecher zu regeln? Ich komme aus der Antriebstechnik und von daher sehe ich den Sinn einer Regelung nur darin sich verändernde Störgrößen zu eliminieren.

Grüße
Thias
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freezebox
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Beitrag von freezebox »

Hallo Thias,

Du sagst:
Thias hat geschrieben:Die Störgrößen sind bekannt und konstant und lassen sich mit einem einfachen EQ korrigieren. Die Regelung macht da auch nichts anderes,
Das ist eben nicht ganz so. Wie Du weiter unten sagst, ist Klirr eine Größe, die sich durch FIR-Entzerrung nicht wegsteuern lässt, sowie auch andere Störgrößen, wie z.B. thermische Kompression, da Du die FIR-Entzerrung ja nur auf einen Arbeitspunkt (dem bei der Messung selbst) beziehst.

Im Lautsprecherantrieb selbst hast Du schon Unsymmetrien, die auf ein ungleichförmiges Magnetfeld im Luftspalt oder auf unterschiedliche Rückstellkräfte der Zentrierung und Sicke in beide Bewegungsrichtungen herrühren. Das kannst Du durch eine Regelung kompensieren - vorausgesetzt, sie unterliegt nicht den gleichen Störfaktoren bei der Erzeugung des Sensorsignals, was es bei der Verwendung einer Doppelschwingspule für diesen Zweck zu ergründen gilt, was hier gerade erfolgt.

Grüße,
Jörn
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Ralph Berres
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Beitrag von Ralph Berres »

Cay Uwe

Eine Frage hast du dem Roman noch nicht beantwortet. Diese Frage interessiert auch mich.

Wie groß ist das Übersprechen zwischen Treiberspule und Sensorspule in abhängigkeit von der Frequenz, wenn man die Membran durch reindrücken bis zum Anschlag blockiert?

Ralph Berres
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KSTR
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Beitrag von KSTR »

Ralph,

Das Übersprechen zeigt bereits die gemessene blaue Kurve, ab da wo der Pegel wieder ansteigt (ca. 130Hz) ist alles "Dreck", welcher nominal mit +20dB/Dekade einkoppelt (mal eine Luftspule angenommen). Eigentlich ist das Geschwindigkeitssignal einer geschl. Box (oder Chassis in Freiluft) ein sauberer Bandpass 2ter Ordn. mit -20dB/Dekade Roll-Off bis zum Einsetzen der Luftlast, danach steiler. Das Übersprechen hat daher zudem invertierte Phase ggü dem "V-Signal" weshalb es zu diesen notchartigen Einbruch kommt und man den relativ umständlichen "Kompensator"-EQ braucht um ein tatsächlich brauchbares (regelfähiges) V-Signal zu erhalten, das oberhalb des Schnittpunkts aber kaum noch echte Geschwindigkeitsinformation enthält.

Würde man den Koppelfaktor der Spulen durch deinen Klemmversuch (VC tatsächlich mit Epoxy festkleben) ermitteln und wäre er konstant oder zumindest linear, könnte man eine Replica der durchkoppelnden Spannung vom Sensor abziehen und damit ein weit "echteres" Geschw.Signal erhalten, theoretisch zumindest. Praktisch ist das natürlich kaum sinnvoll umsetzbar, deshalb hat man die querstehenden Humbucker-Spulen erfunden mit ihren eigenen Magnetkreis....
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Ralph Berres
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Beitrag von Ralph Berres »

Hallo

genau wegen der von dir beschriebenen Probleme verwendete Herr Friedrich Müller keine Doppelschwingspulen, sondern ein Sensor mit eigenen Magneten, welches mechanisch so angeordnet ist, das das Übersprechen minimiert ist. Das Übersprechen begrenzt unter anderem auch den maximal möglichen Gegenkopplungsfaktor. Der dürfte aber immerhin um ganze Größenordnungen größer sein, als mit der Doppelschwingspule.


Ralph
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RPWG
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Beitrag von RPWG »

Hallo alle zusammen,
KSTR hat geschrieben:Das Übersprechen zeigt bereits die gemessene blaue Kurve, ab da wo der Pegel wieder ansteigt (ca. 130Hz) ist alles "Dreck", welcher nominal mit +20dB/Dekade einkoppelt (mal eine Luftspule angenommen).
OK, jetzt bin ich auch wieder synchron :wink: .

Nichtsdestotrotz bin ich gespannt, wie der Versuch fortschreitet. Über dieses Verfahren findet man nämlich an tatsächlich Erprobtem fast gar nichts.

Man muss das Ergebnis dann auch unter dem Umstand beleuchten, dass man sich einen Haufen Arbeit erspart. Klar geht es besser mit den o.g. Ansätzen (sonst würde man sich die Mühe nicht machen), aber bis man da die ersten brauchbaren Ergebnisse hat, hat man die Twin Coil GK vermutlich schon längst aufgebaut.

Weiter so!

Beste Grüße,
Roman
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cay-uwe
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Beitrag von cay-uwe »

Ralph Berres hat geschrieben:Cay Uwe

Eine Frage hast du dem Roman noch nicht beantwortet. Diese Frage interessiert auch mich.

Wie groß ist das Übersprechen zwischen Treiberspule und Sensorspule in abhängigkeit von der Frequenz, wenn man die Membran durch reindrücken bis zum Anschlag blockiert?
Ralph und Forenten,

das Verhalten ist gut in den Dokumenten beschrieben, insbesondere das von C.C. Cheng und wie Klaus schon sagte, scheint es so zu sein, dass ab 150Hz das Ganze nicht mehr optimal ist, weshalb C.C. Cheng ja ein 12dB Filter in die Rückkopplung setzt und im anderen Dokument über ein EQ gesprochen wird.

Mir geht es um den Versuch mehr darüber zu sehen, ob trotz eventueller Einschränkungen "Verbesserungen" auftreten.

Bitte habt Verständnis wenn ich nicht immer gleich auf alles antworte. Auch ich habe noch drum herum einiges zu tun. :wink:
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cay-uwe
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Beitrag von cay-uwe »

Hallo Leute,

eigentlich wollte ich heute hier weiter machen, aber das Wetter ist gerade sehr gut und ich wurde zum Rasen mähen rausgeschickt :mrgreen:

Habe über 3 Stunden im Garten gearbeitet und bin jetzt zu kaputt um irgend etwas anzupacken :wink:


Aber ich bleibe dran, das verspreche ich :)
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musikgeniesser
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Beitrag von musikgeniesser »

Moin Cay-Uwe,

dann ist immerhin Dein Garten schon optimal für die Freifeldmessungen vorbereitet. Alles hat sein Gutes.

Herzliche Grüße

Peter
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Ralph Berres
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Beitrag von Ralph Berres »

musikgeniesser hat geschrieben:Moin Cay-Uwe,

dann ist immerhin Dein Garten schon optimal für die Freifeldmessungen vorbereitet. Alles hat sein Gutes.
Das ist überhaupt die Idee.

Cay-Uwe,

wann kann man denn deinen Garten für Freifeldmessungen mieten? Ist Messequipment dann vorhanden? :)

Ralph
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Rudolf
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Beitrag von Rudolf »

Hallo Ralph,
hallo Cay-Uwe,
Ralph Berres hat geschrieben:Ist Messequipment dann vorhanden? :)
Hierfür bietet sich idealerweise der HORSE™ an*:

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Quelle: http://www.aktives-hoeren.de/viewtopic.php?p=6718#p6718

* alles Weitere ggf. bitte im HORSE-Thread

Viele Grüße
Rudolf
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cay-uwe
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Beitrag von cay-uwe »

Lieber Peter, Ralph, Rudolf,

macht nur Eure Spässle, aber gestern war ich wirklich richtig fertig ...

Trotzdem, das vorgestellte Werkzeug könnte wir als Mikrohalter benutzen in dem man es in ein Baum hängt :mrgreen:

Allerdings, um solche Messungen zu machen müsst Ihr früh hier sein. Beste Messergebnisse gibt es zwischen 4:00 - 5:00 Uhr, wirklich wahr :cheers:
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