Nieuw scheidingsfilter voor een LS3/5a kloon
Begin 2003 kreeg ik toestemming van de eigenaar van een LS3/5a kloon om het scheidingsfilter aan te passen vanwege het doffe geluid. De kloon was op dat moment bijna 25 jaar oud, dus daar had ik twee zeer oude versies van de woofer SP1003 (B110-A) en de tweeter SP1032 (T27-A) die erg veel lijken op de originele units. Op deze link kan veel informatie worden gevonden over de LS3/5a. Met het aanpassen van het scheidingsfilter wil ik op geen enkele manier aangeven dat andere scheidingsfilters voor LS3/5a klonen niet goed zouden zijn. Ik vond dit project gewoon erg leuk en het leek me een aardig idee om alle stappen te doorlopen die ik in zo'n geval neem om een scheidingsfilter te ontwikkelen. Misschien heb je er wat aan, met de juiste meetapparatuur, als je voor je eigen luidspreker project een scheidingsfilter wilt ontwerpen. Er zijn natuurlijk vele methoden, deze bevalt mij erg goed met voor mij zeer bevredigende resultaten.
Ik ben altijd weg geweest van het geluid van deze klonen wanneer ik op bezoek was bij de eigenaar, hoewel ik wel een bepaalde kleuring in het middengebied hoorde en niet erg veel detail. Uiteraard was ook de 3 dB bult in de bas hoorbaar, maar die is karakteristiek voor het ontwerp van de LS3/5a en bedoeld om het gebrek aan diepe bas te camoufleren. Om nu precies te weten wat er aan de hand was met het geluid heb ik de box opgemeten met mijn DLSA Pro meetapparatuur. De meting kwam goed overeen met de luisterervaring. Een bult van 5 dB rond 1250 Hz en boven 5000 Hz een vlakke amplitudekarakteristiek maar wel 3 tot 5 dB lager in niveau dan de rest.
Plaatsen van wolvilt op de baffle
De originele LS3/5a zoals ontworpen door de BBC had wolvilt rond de tweeter. Daarom was de eerste stap in dit project om dikke strips van wolvilt rond de tweeter aan te brengen, voordat de ongefilterde karakteristiek van de tweeter kon worden opgemeten. Hieronder is op de foto's uitgebreid te zien hoe ik dat heb gedaan.
Aanbrengen van dubbelzijdig tape op het wolvilt
Plaatsen van het vilt aan de binnenkant van het frame van het frontje en het verwijderen van de bescherming van de plaklaag.
Het frame op de baffle geplaatst, het vilt aangedrukt en het frontje verwijderd om het resultaat te laten zien.
Voorbereidingen tot meting van de drivers
Om de ongefilterde woofer en tweeter op te kunnen meten, moest eerst het oude scheidingsfilter worden verwijderd. Hieronder is te zien dat het filter werd verwijderd, dat voor de eerste meting alleen de tweeter werd verbonden met de terminals, dat het dempingsmateriaal teruggeplaatst werd om de juiste karakteristiek van de woofer te kunnen opmeten en dat het frontje weer werd teruggeplaatst om de demping van het hoog die dat geeft ook mee te nemen in de meting.
Hier volgen de meetresultaten. Het eerst getoonde meetresultaat is van een meting vlak voor de woofer. Je kan zien dat de amplitude karakteristiek erg glad is totdat de konus begint op te breken. Moderne woofers doen het wat dit betreft echt niet beter! De interne demping doet het goed, er zijn geen sporen te zien van staande golven binnenin de kast die terugkomen in de amplitude/fase plot. Opvallend is de grote dip rond 1500 Hz, iets dat in moderne woofers met een meer open frame veel beter onder controle is. Dit verklaart waarom het LS3/5a scheidingsfilter ingewikkelder was dan normaal, ook omdat de BBC een zo vlak mogelijke karakteristiek nastreefde.
De volgende meetresultaten betreffen standaard akoestische en elektrische metingen van de units in de kast, afzonderlijk opgemeten zonder filter. De meetmicrofoon was daarbij op 1 meter afstand van de woofer of de tweeter geplaatst, recht voor het centrum van de driver. Een MLS puls, overeenkomend met 2.83 V, werd toegevoerd aan de driver om zo een goede indruk van het rendement te krijgen.
SP1003 (B110-A)
SP1032 (T27-A)
Voordat het scheidingsfilter ontworpen kon worden probeerde ik een goede voorspelling te maken van het gedrag van de woofer beneden 300 Hz, alsof hij geplaatst zou zijn in een anechoïsche ruimte. Een standaard meting met tijdvenster met DLSA Pro op 1 meter afstand geeft namelijk slechts een 'dode kamer' respons boven 300 Hz. Om de respons beneden 300 Hz te bepalen, maakte ik gebruik van bafflestep simulatie, gecombineerd met de woofer karakteristiek die ik had opgenomen met de meetmicrofoon vlak voor de woofer. Voor de simulatie van de bafflestep maak ik altijd graag gebruik van het programma The Edge. Het volgende plaatje laat de instellingen van de 'baffle designer' zien voor het onderhavige geval, met een baffle van 190 mm breed en 305 mm hoog.
Met de 'Compensation designer' speelde ik net zo lang totdat de gesimuleerde amplitude respons vlak werd tot en met 300 Hz. Dit gaf me de noodzakelijke informatie voor het equivalent van het elektrische circuit dat deze bafflestep karakteristiek ook had. Kijk hiervoor naar het paars omcirkelde gebied.
Vervolgens importeerde ik de akoestische meting, vlak voor de woofer opgenomen, in AudioCAD als woofer respons en stuurde in AudioCAD deze woofer aan met een circuit dat de inverse respons van de zojuist bepaalde bafflestep compensatie gaf. Deze inverse respons van de compensatie is namelijk een goede simulatie van de bafflestep. Dit circuit werd ingevoerd in AudioCAD in de sectie voor scheidingsfilters. Het circuit, dat de bafflestep simulatie gaf en dus de inverse respons gaf van het compensatie circuit zoals bepaald met The Edge, is hieronder weergegeven. Om in AudioCAD de juiste respons te krijgen moest de werkelijke impedantie van de woofer in de box niet worden ingevoerd, omdat het om een actieve filtersimulatie ging.
De waarde van de condensator in het simulatiecircuit werd berekend met de volgende formule: C = 1 / (2*pi*f1*R2) = 55.16 nF. Aangezien het binnen AudioCAD prettiger werkt met waardes in het µF bereik, nam ik de impedantie van het circuit 1000 maal lager in vergelijk met het inverse compensatiecircuit zoals bepaald was met The Edge. Het volgende plaatje geeft de response van het bafflestep simulatiecircuit.
Om de betrouwbaarheid van de bafflestep simulatie te bepalen, keek ik naar de respons en vergeleek deze met de standaard meting op 1 meter boven 300 Hz. Het eerste plaatje geeft de meting met de meetmicrofoon vlak voor de woofer met en zonder bafflestep simulatie toegevoegd. De donkerblauwe lijn geeft de originele akoestische dichtbijmeting, de lichtblauwe lijn geeft dezelfde respons maar dan gecombineerd met de bafflestep simulatie. Het tweede plaatje laat deze gesimuleerde respons weer zien (donkerblauw ditmaal), samen met de respons die verkregen was met de standaard akoestische meting met tijdvenster en de meetmicrofoon op 1 meter afstand (rood). Je kan zien dat de bafflestep simulatie zeer goed overeenkwam met de meting tot aan 700 Hz en pas daarboven begon af te wijken!
Nu hoefde ik alleen nog maar het juiste niveau in AudioCAD in te stellen en de respons te exporteren. Dit gaf een bestand in standaard tekstformaat dat eenvoudig bewerkt kan worden met een tekst editor zoals Kladblok (Notepad). Alle data in dit bestand tot aan 300 Hz werd met een knip en plak actie toegevoegd aan het bestand zoals verkregen met de meting op 1 meter afstand die data gaf vanaf 300 Hz. Deze hele procedure heb ik herhaald voor de tweede luidsprekerbox. Hierbeneden het eindresultaat, dat verkregen werd na de knip en plak actie voor de tweede woofer. De twee woofers leken redelijk op elkaar, vergelijk hiervoor de rode lijn in het plaatje hierboven met de blauwe lijn in het plaatje hieronder. De verschillen moesten worden gecompenseerd in het scheidingsfilter voor elke box. Let even niet op de verschillen in amplitude niveau, ik heb er goed op gelet de relatieve niveaus tussen woofer en tweeter goed te bewaren voor de linker- en rechterbox.
Het vinden van het juiste scheidingsfilter
Voor het ontwerp van het scheidingsfilter importeerde ik eerst alle amplitude en impedantie gegevens zoals gevonden voor de woofer en tweeter in de ontwerp module ECNC van AudioCAD. Ik gebruikte het BBC scheidingsfilter als startpunt. Vervolgens liet ik AudioCAD optimaliseren voor een vlakke respons om te compenseren voor de verschillen die de drivers hadden met de originele zoals de BBC ze had gebruikt. Hierbij vond ik de karakteristieken en het scheidingsfilterdiagram zoals hieronder getoond voor een van de twee boxen. Kijkend naar het faseverschil tussen woofer en tweeter bij ongeveer 3000 Hz (crossover point) werd het me duidelijk dat de tweeter in tegenfase moet worden aangesloten, net zoals bij het BBC ontwerp. Ik paste de schaal in AudioCAD aan om beter te kunnen vergelijken met de metingen zoals die werden getoond in het rapport van de BBC, BBC Research Department Technical Report RD 1976/29
Het filter voor de andere box werd een beetje anders. Het notch filter (het deel van het filter met het parallel circuit van condensator, weerstand en spoel) had nu een condensator van 10 µF in plaats van 15 µF en een spoel van 1.8 mH in plaats van 1.2 mH. De 3.3 µF condensator in de sectie voor de tweeter was nu 3.0 µF (twee 1.5 µF condensators parallel geschakeld).
Het plaatje hieronder gaf wat meer inzicht in wat het filter voor de woofer in de tweede luidsprekerbox nu precies deed. De twee bovenste curves gaven de ongefilterde woofer en de elektrische filterfunctie zoals gemeten kon worden op de luidsprekerklemmen. De onderste curve gaf het akoestische resultaat. Hij leek bijzonder veel op die van de eerste luidsprekerbox.
Constructie van het scheidingsfilter en het plaatsen daarvan in de box
Eerst maakte ik twee houten bordjes om de filtercomponenten op te plaatsen, waarbij ik de oude filterbordjes gebruikte om de lijntjes en gaten af te tekenen.
Vervolgens lijmde ik de componenten op de bordjes, een voor elke luidsprekerbox. De spoelen werden gemonteerd volgens deze aanbeveling. Om ruimte te besparen gebruikte ik spoelen met ferrietkern. Omdat de LS3/5a kloon niet een systeem is voor hoge geluidsdrukken, zou de stroom door de spoelen beperkt blijven en het ferriet niet in verzadiging gaan. Bovendien waren de specificaties van deze spoelen van Intertechnik erg goed.
Vervolgens soldeerde ik de componenten en bracht de bedrading aan.
Het scheidingsfilter werd achterop de baffle gemonteerd met de schroeven in de oude gaatjes en de drivers werden verbonden met het scheidingsfilter.
Het scheidingsfilter werd verbonden met de terminals en het dempingsmateriaal werd teruggeplaatst in de box.
De eerste luistertest deed ik samen met mijn vrouw. Ik koos het vioolconcert van Tchaikovsky, gespeeld door Maxim Vengerov. We vergaten het systeem erg snel, luisterden naar het hele concert en genoten van de muziek. Of dit kwam omdat we zo van deze muziek houden of door de uitvoering van Maxim, of misschien omdat deze luidsprekers toch wel iets speciaals hadden, ik heb niet zo'n behoefte om hier stellige uitspraken over te doen. Wat ik wel weet is dat dit systeem ons voor de gek hield met de bas en erin slaagde om een heel acceptabele gelijkenis te maken met het origineel. De stereoafbeelding was perfect en de tonale balans erg natuurlijk. Transparantie ontbrak een beetje maar dat maakt de luidspreker erg vergevingsgezind voor slechte opnames.
Hieronder de meting met DLSA Pro die ik gebruikte om te verifiëren dat de werkelijke gemeten respons goed overeenkomt met de voorspelling van AudioCAD.
