Versuch: Regelung mit einem Doppelschwingspulen-Tieftöner
Verfasst: 13.05.2013, 20:59
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:
Ohne Gegenkopplung sieht der Frequenzgang des Tieftöners wie folgt aus:
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.
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:
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:
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.
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:
Ohne Gegenkopplung sieht der Frequenzgang des Tieftöners wie folgt aus:
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.
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:
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:
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.