Luidspreker systeem
EN
Extra: In het tijdschrift Elektor-Labs stond in het
sept / okt 2019 nummer een artikel van mij over het
basgedeelte van dit systeem. Op verzoek van de Elektor
redactie heb ik een uitgebreide beschrijving van het gehele
systeem gemaakt. Deze is te vinden op http://www.breem.nl/lsp/LoudspeakerSystem.htm
(alleen in het Engels)
In
het kort:
Een onconventioneel
luidsprekersysteem met als belangrijkste eigenschappen:
- 3-weg, Bas, Midden, Hoog. Iedere luidspreker heeft een
eigen eindversterker.
- Actieve filtering met compensatie van luidspreker/box
eigenschappen.
- Geeft frequenties tot ruim onder 20 Hz goed weer.
- Concentrisch rond een verticale as, rondstralend in
het horizontale vlak.
- Geoptimaliseerd tijdgedrag.
- Subtractief wisselfilter van de tweede orde met
Butterworth karakteristiek, Midden = 1e orde, Vector som = 1.
- Bas- en Middentoon luidsprekers zijn
elektro-dynamisch, Hoog wordt door een monopool elektrostaat
weergegeven.
- De onderlinge gevoeligheiden van de luidsprekers wordt
op afstand via software ingesteld.
- Klasse D eindtrappen. De eindversterkers en de filters
zitten in een uitsparing achter in de bas-box.
- De regelversterker van waaruit e.e.a. aangestuurd
wordt en de bekabeling voorzien in symmetrische overdracht van
het analoge audiosignaal, symmetrische RS422 overdracht van de
digitale communicatie en een 5-Volt lijn om de eindversterkers
vanuit de regelversterker aan of uit te zetten.
Een belangrijke inspiratiebron was Hans van Maanen, zie het
"Diamant" systeem op de website van zijn bedrijf: https://www.temporalcoherence.nl
De opstelling.
Alle delen behalve de kegel en de tweeterdoos hebben een
vijf-hoekig grondvlak.
Onderaan de basbox met de luidspreker omhoogstralend,
daarboven de ietwat diamantvormige middentoonbox met de de
luidspreker ook omhoogstralend en daarboven de naar beneden
stralende tweeter. Tussen de middentoner en de tweeter zit
een dubbele kegel. De draagconstruktie (dunne buisjes) is
nog niet getekend.
De kegel vormt het middelpunt van de midden- en hoog
straling en staat ongeveer op zit-oorhoogte.
De rechter foto geeft de status anno november 2017, zojuist
in gebruik genomen. Ze staan nog wel in de grondverf.
Belangrijke
overwegingen:
Waarom 3-weg?
Geen enkele enkelvoudige luidspreker is in staat om het
gehele audiobereik van meer dan 3 decaden goed weer te
geven.
Je zou aan een full-range elektrostaat kunnen denken,
ESL's staan bekend om de geringe kleuring en het
transparante hoog. Ze hebben echter ook nadelen. Voor het
laag is een grote oppervlakte nodig, en voor wat power in
het laag ook een grote uitslag van de folie. Dat gaat
gewoon niet goed. Daar komt nog bij dat ze meestal als
dipool uitgevoerd worden, zodat er van diep laag sowieso
weinig terecht komt door het kortsluit effect. Ook het hoog is nogaleens
problematisch door de richtwerking. In deze concentrische
opstelling is dat echter geen probleem.
Bij een tweeweg systeem moet de basluidspreker relatief
ver doorgaan in het middengebied, en/of de tweeter moet
behoorlijk laag in het middengebied komen. Dat verdraagt
zich niet erg, temeer daar de basluidspreker hier erg
groot moet zijn om voldoende vermogen in het laag te
kunnen afgeven en voor de tweeter de keuze ESL al vast
stond wegens het transparante hoog. Deze kleine ESL kan
frequenties onder de paar 100 Hz echt niet aan.
Zo kom je vanzelf bij een drieweg systeem uit.
Waarom iedere luidspreker een
eigen eindtrap?
Er zijn zoveel voordelen verbonden aan deze aanpak dat
het verbijsterend is dat het niet veel vaker gedaan
wordt, zelfs niet in het peperdure high-end segment,
waar men gemakkelijk duizenden euries betaalt voor een
setje luidsprekers of een versterker.
- Iedere luidspreker is over het hele frequentiebereik
goed gedempt door de lage uitgangsimpedantie van de
versterker. In de klassieke aanpak met passieve filters
in de luidsprekerkast is die demping flink verziekt. Zie
het artikel daarover op mijn website.
- Met aktieve filters kunnen veel mooiere filters
gemaakt worden met goedkope componenten.
- Passieve filters worden vaak ontworpen met de aanname
dat de luidspreker keurig 4 of 8 Ohm is. Niets is minder
waar; een 4 Ohm luidspreker kan gemakkelijk 40 Ohm
bereiken bij resonantie, en dan doet je filter iets
anders dan je gedacht had.
- Het aanpassen van de gevoeligheden van de luidsprekers
gaat nu simpelweg met een potmetertje o.i.d. In het
passieve geval moeten er vermogens weerstanden aan te
pas komen die weer een effect hebben op het filter, of
sommige combinaties van luidsprekers gaan niet omdat de
gevoeligheden te ver uit elkaar liggen of de impedanties
te veel verschillen; 4- en 8 Ohm luidsprekers mixen vaak
niet goed.
- In de praktijk wordt de verzameling eindversterkers
meestal dichtbij of in de luidsprekerkast geplaatst. Dit
resulteert in korte luidsprekerkabels met alle voordelen
van dien.
- Vervorming in de
eindversterkers blijft beperkt tot de betreffende
luidspreker. Bijv. hoge harmonischen die in het
baskanaal zouden kunnen ontstaan komen niet in de
middentoner of de tweeter terecht. (natuurlijk wel in
basluidspreker, maar die geeft dat hopelijk minder goed
weer)
- Per versterker is er beduidend minder vermogen nodig dan
bij een full-range versterker.
- Ook het experimenteren met
de filter eigenschappen is aantrekkelijker, want de
frequentie bepalende elementen kosten kwartjes, tegen
tientjes bij de passieve filters.
- In het bijzonder kun je filters maken waarvan het
gesommeerde uitgangs signaal zo perfect recht is in
amplitude en ook in fase. De conventionele passieve
filters geven bijna altijd fase fouten waardoor het
geluid uit de verschillende luidsprekers voor sommige
frequenties niet goed optelt en het impulsgedrag slecht
wordt.
- Ja, je hebt meerdere eindversterkers nodig en dat lijkt
duur. Maar de feitelijke component kosten van een eindtrap
belopen een aantal tientjes.
Waarom tot onder
20 Hz?
Ik heb wat opnames, CD zowel als vinyl, waar zulke lage
frequenties op staan en dan wil ik ze ook horen. Ik
gebruik dit systeem ook in combinatie met video projectie
en aardig wat films en TV programma's bevatten ook zulke
lage frequenties.
Maar belangrijker, als je het tijdgedrag (impuls respons) van een systeem
goed wilt hebben, moet je het frequentiebereik flink
groter kiezen dan wat je echt nodig hebt.
In het SACD systeem gaat het bereik ver voorbij de voor
mensen hoorbare frequenties. Dat resulteert in een betere
impuls respons in het hoorbare gebied. Hetzelfde argument
geldt aan de laagfrequente kant.
Waarom
rondstralend?
Dat is vooral een kwestie van smaak. Het -niet zo sterke-
technische argument is dat in alle richtingen hetzelfde
spectrum uitgestraald wordt, net als bij veel akoestische
muziekinstrumenten. Een ander aspect is dat de z.g. Sweet
Spot, het plekje waar je het geluid het beste hoort, hier
erg groot is. Het maakt weinig uit waar je precies gaat
zitten, het klinkt overal goed.
Er zijn ook mensen die een heel direct geluid willen en
genoegen nemen met een kleine Sweet Spot. Ook zij kunnen
van de overwegingen hier wellicht iets opsteken.
Waarom
concentrisch?
Nou, dan lukt het rondstralen beter. Belangrijker is dat
de looptijden vanaf iedere luidspreker naar de luisteraar
nagenoeg gelijk gemaakt kunnen worden, juist voor het midden
en het hoog en ook in het vertikale vlak. Bij
conventionele opstellingen zijn de afstanden tussen
luisteraar en midden / tweeter verschillend afhankelijk
van de luisterhoogte. Met deze kegelopstelling is dat
effect flink verminderd.
Waarom het
tijdgedrag optimaliseren?
De ervaring van mensen die dit gedaan hebben leert dat
iedere verbetering van het tijdgedrag resulteert in een
geluid waarin details beter hoorbaar zijn.
Waarom het
wisselfilter van de 2e orde?
Je zou een hogere orde willen om de luidsprekers zo weinig
mogelijk signaal te geven dat niet voor ze bestemd is.
Echter, met een hogere dan de tweede orde krijg je het
tijdgedrag niet meer goed. (ik heb deze stelling uit een
deskundige bron, maar zonder bewijs.)
Waarom
Butterworth?
Ik denk dat ik daarmee een goed compromis bereikt heb
tussen veel overshoot en rimpel in de doorlaatband zoals
bij Chebychev en anderzijds niet zo'n heel slappe overgang
van doorlaat- naar sperband, zoals bijv. bij Bessel en
Gauss.
Waarom heeft het
midden een 1e orde afval?
Dat is een consequentie van het subtractief filter. Als je
laag en hoog via een 2e orde filter doet en het midden afleidt als het verschil met het origineel krijg je een 1e
orde karakteristiek. Het bewijs daarvoor ken ik niet maar de
simulaties wijzen het ondubbelzinnig uit.
Waarom geen digitale filters? Daarmee kun je toch een hoge-orde karakteristiek maken zonder faseverschuiving?
Klopt. Maar een filter dat geen faseverschuiving geeft moet
een symmetrische impuls respons hebben, en dat kan alleen met een
non-causaal filter, dat dus output geeft vóór er iets aan de input
gebeurt. In het digitale domein kan dat eenvoudig door alles een beetje
te vertragen. Echter in de echte wereld is alles causaal, daar gebeurt
er niets vóórafgaand aan z'n oorzaak. Je mag dus verwachten dat een
non-causaal filter gehoormatig rare effecten oplevert.
Het tweede argument is dat filters van hoge orde altijd sterke in- en uitslingerverschijnselen vertonen. Dat willen we ook niet.
(Dit zijn ook aspecten in de discussie CD versus SACD)
Waarom voor de
middentoner niet ook een elektrostaat?
Dat is overwogen. Maar het blijkt dat de middentoner toch
nog vrij veel laag moet weergeven en dat gaat gewoon niet
met een ESL van deze afmetingen.
Waarom een monopool
elektrostaat als tweeter?
Ik wil dat 'ie alleen naar beneden straalt en niet ook
omhoog, dat staat het rondstraal principe met de kegel in
de weg. Daarom zit 'ie in een gesloten doos met
dempmateriaal. Het risico is dat het membraan erg mee gaat
trillen bij sterke bassen en dat kan vonken opleveren.
(per jan 2018: geen enkel probleem gevonden)
Tweedens, ESL's zijn stofmagneten en dat wil ik niet erger
maken door er van bovenaf rommel op te laten vallen.
Waarom de
onderlinge gevoeligheid van de luidsprekers op afstand
instellen via software?
Ik wil dat niet met potmetertjes doen die links/rechts
misschien niet eender afgesteld staan en/of gaan kraken.
Ik heb voor volume regeling een uitstekende chip gevonden
in de PGA2311, en die vereist een microprocessor voor de
aansturing. Bovendien is een micro ook nodig voor de
klasse D eindtrappen.
Waarom klasse D
eindtrappen?
Nou, daar is niet zo'n sterk argument voor, anders dan dat
ik dat ook eens wil proberen. Er is uit overwegingen van
audiokwaliteit geen voorkeur voor klasse D of de
gebruikelijke AB, met beide kun je een versterker
realiseren met geringe vervorming en voldoende vermogen.
HET grote voordeel van klasse D is het hoge rendement
zodat je met kleine koelplaten kunt volstaan, maar dat is
hier eigenlijk niet zo relevant, het hoeft niet super
klein.
Jan 2018; De klasse D versterkers zijn nu operationeel.
Gebaseerd op de TPA3255 van Texas Instruments. Per systeem
1 chip in PBTL voor de basweergever en 1 chip in 2 x BTL
voor midden en hoog.
De luister ervaring geeft aan dat de vervorming minder is
dan voorheen met de STK086 modules. Dat is vooral te horen
met koormuziek.
Waarom
symmetrische overdracht?
Symmetrische overdracht resulteert in een betere
onderdukking van brom en andere stoorsignalen t.g.v. aardlussen en
andere stoorbronnen.
Bedenk dat de eindversterkers en de regelversterker
waarschijnlijk uit verschillende stopcontacten gevoed
worden en dat er mogelijk lange leidingen tussen liggen.
Waarom de
eindversterkers op afstand inschakelen?
Ik wil niet dat ze altijd aan staan, dat is
energieverspilling, en ik wil er ook niet iedere keer
naartoe moeten lopen om ze aan of uit te zetten, dat is
ook energie verspilling. Inschakelen op grond van een
minimaal audiosignaal is ook geen optie, dan moet er daar
ook altijd iets aanstaan, en ik heb slechte ervaringen met
de Philips MFB systemen die dat hebben; als je wat zacht
speelt schakelen ze uit. In de 3 setjes MFB die ik in
gebruik heb is dat relais dan ook overbrugd.
Hoe geef je frequenties tot
onder 20 Hz goed weer?
Dat kan eigenlijk alleen met een gesloten box. Iedere andere
luidsprekerbehuizing zou veel te groot worden. Beneden de
resonantiefrequentie vallen gedeeltelijk "open" behuizingen
zoals de basreflex of de "vented" box met 24 dB/octaaf af, een vierde orde hoogdoorlaatfilter, en
dat is niet meer te corrigeren met een voorwaarts filter, alleen al door de faseverschuiving.
Bovendien kan het gedrag van een luidspreker in een gesloten box
erg goed berekend worden, er is een tweede orde afval, en die leent
die zich juist wel voor correctie met een voorwaarts filter. Er
ontstaan weliswaar ook grote conus uitslagen, maar je raakt de
druk niet kwijt door dat gat in de kast.