In het kort:
Luidspreker demping is de mate waarin de eigen beweging van een luidspreker (uitslinger verschijnselen) gedempt wordt door de versterker.
Die demping kan aanzienlijk verslechterd worden door de aanwezigheid van een passief wisselfilter, zoals in veruit de meeste luidsprekers, commerciëel zowel als zelfbouw.
Verwante onderwerpen:
Wisselfilters, bi-amping, tri-amping, multi-amping,
Over geluidsdemping, zoals kamerresonaties en geluidsoverlast naar de buren is er een apart hoofdstuk.
Luidspreker Demping, en nog iets over Wisselfilters
In dit hoofdstuk leg ik uit wat luidspreker demping is, en welke factoren die bepalen.
We zullen zien dat de versterker en de luidspreker kabel slechts een geringe invloed hebben, en dat de demping het meest verknald wordt door het wisselfilter.
De luidspreker als spanningsbron
De versterker als kortsluiting
De inwendige weerstand van de luidspreker zelf
Het wisselfilter. Zie en huiver
In dit hoofdstuk leg ik uit wat luidspreker demping is, en welke factoren die bepalen.
We zullen zien dat de
versterker en de luidspreker kabel slechts een geringe invloed hebben, en dat de
demping het meest verknald wordt door het wisselfilter.
Ook het begrip "dempingsfactor", vaak te zien in specficaties van
versterkers, kan regelrecht de prullenbak in.
Bij het begrip
luidspreker demping denken we meestal alleen aan basluidsprekers. Dat is niet
geheel onterecht, want basluidsprekers worden steevast gebruikt in een
frequentiebeid dat ook de eigenresonantie van de luidspreker omvat en daar is
die demping het belangrijkst. Voor middentoners en tweeters kiezen kiezen we de
overgangs frequenties van het wisselfilter meestal zo dat de eigenresonatie van
de luidsprekers er buiten vallen.
Niettemin is ook voor die luidsprekers en redelijke demping een pro, met name
dome tweeters kunnen een nadrukkelijke eigenresonantie hebben op zeer goed
hoorbare frequenties, een paar kHz.
Proefje: Neem eens een losse dome tweeter en verbind die met een batterijtje van
1.5 Volt. Bij het aansluiten zul je een droge tik horen. Bij het verbreken van
de verbinding kun je gemakkelijk een "ping" geluid horen. Dat is de
eigen resonantie van die ongedempte tweeter.
Ik ben ervan overtuigd
dat ook bij andere frequenties dan de eigen resonatie van luidsprekers een
redelijke demping gewenst is. Het blijkt dat met de gebruikelijke passieve
wisselfilters (die spoelen en condensatoren in je luidsprekerkast) de
demping vaak erg slecht is, in het bijzonder voor die frequenties waar de ene
luidspreker het moet overnemen van de andere.
Dat is 1 van de redenen van mijn voorkeur voor een multi-amp
systeem.
De luidspreker als spanningsbron
Fig 1. Fig 2.
Een luidspreker heeft een massa en een veerkracht. Die twee vormen samen een resonator die een sterke voorkeur heeft voor 1 bepaalde frequentie. Als de versterker die toon aanbiedt wil de luidspreker daar graag op trillen. Te graag, want eigenlijk moet 'ie op alle tonen in gelijke mate trillen.
Nu is het gelukkig zo dat als de luidspreker trilt, hij ook een elektrische spanning opwekt met de spreekspoel. In Fig 1 is die spanningsbron getekend.
In Fig 2 is de luidspreker kortgesloten. De spanning zal nu een stroom veroorzaken, die de trilling tegenwerkt.
Hou in de gaten dat:
-
De in de spreekspoel opgewekte spanning is evenredig met de snelheid van de beweging
-
De stroom die door de spreekspoel loopt bepaalt de kracht die de spreekspoel uitoefent op de conus.
De versterker als kortsluiting
Nu kunnen we in de praktijk de luidspreker natuurlijk niet kortsluiten, want dan hebben we ook de versterker kortgesloten, en kunnen er rookwolkjes ontstaan.
Gelukkig zorgt een (goede) versterker zelf voor die kortsluiting, doordat 'ie een vrij lage inwendige weerstand heeft.
Fig 3.
Een ideale versterker heeft een inwendige weerstand van 0 Ohm. In de praktijk wordt dat niet gehaald, maar 0.02 Ohm is niet ongebruikelijk bij lage frequenties (In het hoog wil de inwendige weerstand nog wel eens toenemen, maar dit terzijde)
In deze situatie wordt de luidspreker nog steeds kortgesloten, maar alleen voor trillingen die de versterker niet gecommandeerd heeft.
De inwendige weerstand van de versterker wordt vaak niet zo opgegeven door de fabrikant, maar als een getal "Dempingsfactor". Dat getal is gedefinieerd als de luidspreker impedantie waarvoor de versterker ontworpen is (meestal 8 Ohm) gedeeld door de inwendige weerstand.
In het geval van fig. 3 zou de versterker een "dempingsfactor" van 8 / 0.02 = 400 hebben.
Hier mee zijn we echter nog niet klaar. De luidspreker kabel heeft ook wat weerstand, en er zit meestal een wisselfilter in de kast.
Fig. 4
De weerstand van de luidspreker kabel is zelden lager dan zo'n 0.2 Ohm, tenzij je heel korte en dikke kabels hebt.
Met het wisselfilter is
het echter geheel anders gesteld. Als je eens goed naar gebruikelijke filters
kijkt dan blijkt dat die vanuit de luidspreker gezien een heel hoge impedantie
vertonen over een breed frequentie gebied, ondanks alle moeite die gedaan wordt
om de weerstand van de filterspoelen laag te houden. Verderop in dit hoofdstuk
kom ik daar op terug. (lees en huiver....)
De inwendige weerstand van de luidspreker zelf.
Er is nog een belangrijk aspect in het dempings verhaal dat nog wel eens vergeten wordt, en dat is de inwendige weerstand van de luidspreker zelf.
Fig. 5
Een 8 Ohm luidspreker heeft doorgaans een Ohmse weerstand van ca. 6 Ohm. Dat is gewoon de weerstand van het koperdraad van de spreekspoel.
Er wordt wel eens gedacht dat die weerstand niet meespeelt omdat 'ie zo'n inherent deel van de luidspreker zelf is, maar dat is een misvatting. Een elektodynamische luidspreker bestaat uit een spanningsbron waarvan de inwendige impedantie alle mechanische eigenschappen vertegenwoordigt (massa, veerkracht, ook de mechanische demping, indien aanwezig), de Ohmse weerstand van de spreekspoel en de zelfinducte van de spreekspoel. Deze laatste speelt meestal niet zo'n belangrijke rol, en als 'ie wel meespeelt maakt 'ie het alleen maar erger.
Ik geef een reken voorbeeld voor de demping in het geval van fig 3 en die bij fig 5.
Stel dat de luidspreker zo uitslingert dat er een spanning van 1 volt ontstaat.
Bij fig. 3 zou er dan 1V / 0.02 Ohm = 50 Ampere gaan lopen. Dat geeft een extreem goede demping.
Bij fig. 5 is de totale
weerstand in de kring 0.02 + 0.2 + 6 = 6.22 Ohm (ik verwaarloos het filter nog
even)
Er gaat dan een stroom lopen van 1V / 6.22 = 0.16 ampere. Een totaal andere
situatie dus.
Je kunt hier ook zien dat de uitgangs impedantie van de versterker en de kabel
weerstand maar een geringe invloed hebben.
Stel ze allebei eens op de algemeen als absurd hoog ervaren waarde van 1 Ohm dan wordt de totale kringweerstand 8 Ohm en de stroom 0.125 Ampere. Dat is niet zo vreselijk veel anders dan die 0.16 A van fig 5.
Je ziet in dit
rekenvoorbeeld ook dat het begrip "dempingsfactor" bij een versterker
specificatie absoluut nergens op slaat. Het is gewoon een smoes om een
gemakkelijk te behalen groot getal in de specificatie lijst te krijgen. Een
"dempingsfactor van 10 is prima, en alles wat 'ie groter is maakt het niet
meer beter.
Hieronder een voorbeeld van een veelvoorkomend eenvoudig 2-weg wisselfilter met een kantelfrequentie van 1 kHz met 8 Ohm luidsprekers.
Fig. 6
Hoe gedraagt dit filter zich, gezien vanuit de luidspreker?
Ik heb dit voor de bas sectie uitgewerkt: Vervang de versterker door een kortsluiting, verwijder de luidspreker en "kijk" in het circuit op de plek waar de luidspreker zat. Wat zie je?
Fig. 7
Juist, ja. Een parallel resonantie kring. Zo' kring heeft bij de resonantie frequentie een zeer hoge impedantie, maar in een gebied ruim daaromheen ook nog flink wat.
Je ziet hieronder het impedantie verloop van beide kringen (ook die van de tweeter) op drie verschillende schaalgroottes. Op de vertikale as staan Ohms.
Fig. 8
Rood is hier de impedantie van het basfilter, groen die van de tweeter.
Je ziet dat ze allebei over een groot deel van het audiofrequente bereik ruim boven 1 Ohm zitten, in de buurt van de overneem frequentie zelfs boven de 10 Ohm over een vol octaaf.
De term "Ohm" is hier niet helemaal eerlijk, want beneden de resonantie frequentie is zo'n kring inductief, dan overheerst de zelfinductie en daarboven is het capacitief. Dat maakt het eigenlijk alleen maar erger, want zelfinducties en capaciteiten kunnen geen energie in warmte omzetten, en dat is wat er voor een goede demping moet gebeuren.
Je kunt hier ook de
conclusie trekken dat het niet zoveel zin heeft om voor de spoelen in serie met
de (bas) luidspreker types te kiezen met extreem lage koperweerstand. In
veel gevallen, zeker als de overneemfrequentie wat laag is, zoals bij
drieweg-systemen, overheerst de zelfinductie van het bas filter de ohmse
weerstand van de versterker en de kabel.
Dit geldt in ongeveer gelijke mate ook voor middentoon luidsprekers en tweeters.
Hieronder het simulatie circuit waarmee ik dit berekend heb. Op mijn download pagina kun je het simulatie programma downloaden (pSpice Student Demo)
SpkrDemping
*signal sources
V1 1 0 AC 1
Ctweet 0 2 14u
Ltweet 2 0 0.85m
Cbass 3 0 28u
Lbass 0 3 1.7m
R2 1 2 8
R3 1 3 8
.AC dec 150 10 100k
.PROBE
Bij meerwegs filters is de situatie alleen nog maar slechter, omdat de de scheidings frequenties dichter bij de randen van het audiofrequente gebied liggen.
Ik doe een benadering "uit de losse pols" voor een basfilter met 200 Hz scheidings frequentie.
Bij zo'n filter heeft de zelfinductie bij die 200 Hz een (inductieve) impedantie van ca. 12 Ohm. Bij 100 Hz is dat dan 6 Ohm, en bij 20 Hz nog steeds 1.2 Ohm. De parallele capaciteit doet bij die lage frequenties uiteraard niets meer.
Het zelfde geldt voor de serie condensator van de tweeter met een scheidings frequentie van (ik noem maar wat) 6 kHz. 12 Ohm bij de scheidings frequentie, 6 Ohm bij 12 kHz en 3.6 Ohm bij 20 kHz. De paralelle zelfinductie doet bij die hoge frequenties zo goed als niets meer.
Voor filters met een
hogere dan de 2e orde heb ik geen berekeningen gemaakt, maar ik veronderstel dat
het gebrek aan demping daar nog veel erger is. Ik raad zulke filters trouwens
ernstig af om andere redenen. De fasefouten die in het overneemgebied
optreden zijn dermate groot dat je het fasegetrouw optellen van het geluid nooit
meer goed krijgt. Dat resulteert in een sub-optimale
impuls- of stapresponsie. Er gaat de gedachte dat alleen met 1e orde filters een
fase-getrouwe optelling van het geluid kan plaats vinden. Dat is niet helemaal
waar, met goed uitgekiende 2e-orde filters kan het ook, maar ik kan op dit
moment de crtiria daarvoor niet geven.
.