Onderzoek hoorbaarheid interne resonanties en achterwandreflectie

[Wieger61]

Over de optimale demping van de luchttrillingen in de kast is op het forum op diversie plekken al veel geschreven. Toch had ik nog vragen. Bij het bouwen van de Thor van SEAS was me opgevallen dat 5 cm akoestisch schuim (Mavopreen Plano) achter de woofers een duidelijk beter geluid opleverde dan enkel een matje wol ( BAF wadding). Ik vroeg me af: Hoe sterk hoor je aan de voorzijde het geluid dat van achter de driver tegen de achterwand reflecteert en vervolgens aan de voorzijde door de conus naar buiten komt? En: hoeveel hoor je van de interne resonanties door de driver heen?

Theoretisch kon ik beredeneren dat drukgolven van binnenuit de box door de driver gefilterd doorklinken: akoestisch werken de kastinhoud met de driver als een laagdoorlaatfilter voor interne drukgolven die door de conus naar buiten komen. Maar hoe sterk? Om het doorklinken van de reflectie te meten heb ik op een PVC-buis van 125 mm doorsnede en 75 cm lang een SEAS L12RE geplaatst. Zo krijg ik een vereenvoudigd eendimensionaal model.

De microfoon zit er dicht bovenop (2,5 cm), waardoor de gemeten frequentiekarakteristiek geen maat is voor de klank op afstand, maar die wil ik ook niet weten. Ik zoek enkel de reflectie. Zo heb ik zowel de stapresponsie als de ETC gemeten van een:
- Open buis zonder demping (paars);
- Gesloten buis zonder demping (zwart);
- Gesloten buis lichte demping (10 gr Sonofil) (rood);
- Gesloten buis lichte demping (10g Sonofil) + 5cm schuimprop (blauw);
Aan de stapresponsie zie je dat bij een gesloten buis de gereflecteerde golf (zwart) omgepoold door de driver doorklinkt, terwijl bij de open buis die ompoling niet plaats vindt (paars). Ook zie je, logischerwijs: hoe meer demping, hoe minder sterk de reflectie (blauw).

Met de stapresponsie beoordeel je de reflectie op deze manier echter eerder visueel. Hoe sterk klinkt die nu door? De frequentieresponses laat zien dat ongedempt de klank door resonanties ingekleurd wordt (waarover later meer). Maar is ook de reflectie te horen? De impuls response evelope, zeg maar de energie in de impulsresponse die door REW als ETC wordt berekend, geeft hier meer inzicht. Met de ETC kun je storende reflecties makkelijker opsporen dan met de stap- of impulsresponse.

In bovenstaand figuur lees ik bij de ongedempte, gesloten buis van 75 cm op iets meer dan 5 ms een duidelijk piek. Is dit de gezochte reflectie? De piek zou je na 2 x 75 cm / 345 m/s = 4,3 ms al verwachten. Het verschil van 0,7 ms schrijf ik toe aan de vertraging in het laagdoorlaatfilter dat buis en driver samen vormen. De bult op 5 ms schrijf ik ook toe aan de reflectie omdat die duidelijk afneemt als je de reflectie inwendig sterk dempt (blauw).

Analyse: demping in de buis verzwakt de ETC in de buis met 14 dB vergeleken met een ongedempte buis naar - 36 dB. Vergeleken met alleen lichte demping levert een extra schuimplaat van 5 cm dik (Mavopreen Plano) tegen de achterwand een verbetering van 6 dB (rood vs blauw). Ter vergelijk: een vloerreflectie van de buisspeaker op 75 cm hoogte gemeten op 85 cm geeft in een ETC meting een reflectiebult op - 17,5 dB.

Hoe zit het met de interne staande golven? Hoe sterk hoor je die? Uit de frequentiekarakteristiek van een ongedempte, maar ook gedempte buis is dit al af te leiden.

Ik wilde ze echter ook meten, ook omdat ik mij afvroeg hoe sterk die door een passieve radiator heen zouden klinken. Om dit te meten heb ik aan de achterkant van de buis een passieve driver geplaatst en de actieve driverzijde geluidsdicht omkapseld.

Het geluid daarvan kan dan alleen door de buis en de passieve driver bij de meetmicrofoon komen. Vervolgens heb ik de frequentieresponse gemeten bij:
- Een ongedempte buis (groen);
- Een licht gedempte buis (10 gr Sonofil over volle lengte) (oranje);
- Een gedempte buis (50 gr wol op 25 cm van passieve driver) (paars);
- Een schuimprop van 5 cm achter tegen de passieve driver (Mavopreen Plano) (rood);
Ter vergelijking heb ik de responses afgezet tegen die van de actieve driver op 2,5 cm gemeten zonder omkapping (zwart).

Analyse:
- Ongedempte interne resonanties klinken met 10dB verzwakking door de passieve radiator heen (groen). Ook blijkt weinig verrassend dat meer demping voor minder doorklinken van resonanties zorgt.
- Wel blijkt dat bij weinig demping (rood) op de eigenfrequentie van de buis die resonantie (staande golven in de buis) maar 14dB zwakker te klinken dan het directe geluid. Zelfs bij wat meer demping (rood) blijven interne resonanties tot op -18 dB doorklinken. Interpreteer je deze resonanties als vervorming, dan is die meer dan 10 % sterk. Uit decay-plaatjes in REW blijkt wel dat de resonanties snel uitklinken.
- De hoeveelheid en plaatsing van de interne demping blijkt sterk de verdeling van pieken in de frequentiesresponsie van de resonanties en zo de kleuring door interne staande golven te bepalen. Wil je de laagste resonantiepiek dempen, moet het dempingsmateriaal in het midden van de kast geplaatste worden, logisch want daar is de luchtsnelheid het hoogste en remt demping het meeste af. Een en ander sluit aan bij mij ervaring: een gesloten kast met een SEAS EXCEL C16N001 bijvoorbeeld bleek vol met wol het meest neutrale te klinken.

Mijn conclusies:
- Interne staande golven klinken vrij sterk door de (passieve) driver heen. Een passieve driver zou ik daarom op de achterzijde plaatsen zodat die extra verzwakt te horen zijn.
- Achterwandreflecties zijn met voldoende dempingsmateriaal in de box te dempen. Een dempingsplaat achter de driver tegen de achterwand versterkt die demping .
- Hoe meer demping hoe minder kleuring door resonanties, al kan een mid-woofer daardoor wel 'slomer' klinken (zie discussie elders op het forum).
- De plaatsing van de demping bepaalt de kleuring door resonanties. Bij demping alleen tegen de wand zal de resonantiegrondtoon (van een frequentie van 345/diepte kast/2) hoorbaar het geluid kleuren.

[OWC]

Voor zulk soort metingen kun je beter een Burst Decay diagram gebruiken, evt met een nearfield en een impedantie meting.
Dan valt het resultaat veel beter te zien en te interpreteren.
Sterke reflecties zijn direct te meten in de impedantie.

Het is namelijk veel belangrijker bij welke frequenties deze reflecties en staande golven zitten.
Op die manier kun je ook makkelijker bepalen hoe deze precies aan te pakken.

Een passieve radiator aan de achterkant is sowieso wel interessant in de zin dat midden-frequenties daar weinig door gedempt worden.
In theorie maak je dan een soort van cardioïde. Ik heb er zelf echter nooit aan gemeten.

Ik begrijp niet wat je bedoel met slomer klinken, er bestaat niet zoiets als een slome speaker.
Voor lage frequenties is de massa namelijk een constante, enkel bij hogere frequenties kan de speaker door de massa het niet meer bijhouden en zakt de frequentie response daardoor in, exact volgens de wetten van de regeltechniek.
Vaak is het wel zo dat de inductie al eerder een rol speelt.

Het kan wel zo zijn dat men het filter niet compenseert voor het verschil, dan heb je idd vrij duidelijk meetbare verschillen.

[Wieger61]

Dank voor de tips. Ik zal eens een Burst Decay diagram proberen te maken en te interpreteren. In hoeverre een passieve radiator aan de achterkant een cardioïde veroorzaakt heb ik hier geprobeerd in te schatten.
'Sloom' is inderdaad geen goede kwalificatie. De discussie ging in dat draadje over het effect (en de mechanismen daarachter) van te veel demping in een kast. Veel demping verlaagt de Q, was mijn uitleg, en kan zo de afval in het laag versnellen. Dan kunnen luisteraars klagen over een trage of slome bas.

[Shadow]

Bravo

[Wieger61]

Bravo

Dank

[VintageHarry]

Interessant om nu eens wat metingen te zien over de backwave en het nut van de demping daarvan, mooi project!

[OWC]

Ging het trouwens specifiek om de backwave?
Want in de meeste gevallen zullen de staande golven overheersen.
Als je puur wilt kijken naar de backwave, kun je beter een soort van heel ondiep dipool U-frame nemen.

[Wieger61]

Hier de Burst decay diagrammen volgens REW van de gesloten buis zonder demping:

Gesloten buis lichte demping:

Gesloten buis lichte demping + schuimprop:

Wat valt op:
- Lichte demping brengt de natrillingen eerst terug op circa -30 dB, waarna snel minder.
- Een extra prop akoestisch schuim van 5 cm levert op dit punt geen opvallende verbetering, maar vlakt wel de frequentiekarakteristiek verder af.
- Door de demping gaat het duidelijke patroon van uitstervende eigenfrequentietrillingen grotendeels verloren. De natrillingen zullen dus niet als resonatoren, maar als een soort achtergrond ruis meeklinken eerst op circa - 30 dB, waarna snel minder.

Conclusie: met enige demping reduceer je het naklinken van interne resonanties (voornamelijk omdat die minder optreden en snel uitdoven), maar voldoende demping is nodig om de invloed van de resonanties op de frequentiekarakteristiek en de naklank voordat de toon uitsterft te verminderen.

[Henkjan]

ga je ook nog met een kortere buis testen? want zo ben je meer aan een TL aan t meten dan sec de backwave

[Wieger61]

Ging het trouwens specifiek om de backwave?

Ja. Ik wilde weten hoe belangrijk die is in de klank, maar ontdekte dat de resonanties duidelijker hoorbaar zullen zijn. Het verhaal is wel wat complexer dan ik dacht (zie boven).

[Wieger61]

ga je ook nog met een kortere buis testen? want zo ben je meer aan een TL aan t meten dan sec de backwave

De buis is achter dicht, dus geen TL, zou ik zeggen.

[Pjotr]

Begrijp niet zo goed waarom je REW hiervoor neemt. Dat is meer gericht op kamerakoestiek dan speakers meten. Kun je beter naar een progje gaan wat een 3D waterval en 3D burst decay laat zien. In een waterval diagram zie je een reflectie terug als een rechte "bergrug" evenwijdig aan de frequentie as. Zo'n waterval laat typisch het gevolg van een impuls in de tijd zien. In een burst decay zie dat wat minder goed, daar komt het naar voren als "cirkels in een koren veld". Dat laat meer de Q of uitsterfgedrag van resonanties van staande golven zien.

[OWC]

Hier de Burst decay diagrammen volgens REW van de gesloten buis zonder demping:Burst Decay diagram Gesloten buis zonder demping.jpgGesloten buis lichte demping:Burst Decay diagram Gesloten buis lichte demping.jpgGesloten buis lichte demping + schuimprop:Burst Decay diagram Gesloten buis lichte demping + schuimprop.jpg
Wat valt op:
- Lichte demping brengt de natrillingen eerst terug op circa -30 dB, waarna snel minder.
- Een extra prop akoestisch schuim van 5 cm levert op dit punt geen opvallende verbetering, maar vlakt wel de frequentiekarakteristiek verder af.
- Door de demping gaat het duidelijke patroon van uitstervende eigenfrequentietrillingen grotendeels verloren. De natrillingen zullen dus niet als resonatoren, maar als een soort achtergrond ruis meeklinken eerst op circa - 30 dB, waarna snel minder.

Conclusie: met enige demping reduceer je het naklinken van interne resonanties (voornamelijk omdat die minder optreden en snel uitdoven), maar voldoende demping is nodig om de invloed van de resonanties op de frequentiekarakteristiek en de naklank voordat de toon uitsterft te verminderen.

Dat is een spectral decay, totaal iets anders als een burst decay.

Burst decay is een waterfall, maar dan uitgezet in periodes.
Dat levert een grafiek met 3-assen

[OWC]

ga je ook nog met een kortere buis testen? want zo ben je meer aan een TL aan t meten dan sec de backwave

De buis is achter dicht, dus geen TL, zou ik zeggen.

Dicht of open, is en blijft een TL, aka een pijp met staande golven.
Dat is nu ook wat je meet.

[Henkjan]

ga je ook nog met een kortere buis testen? want zo ben je meer aan een TL aan t meten dan sec de backwave

De buis is achter dicht, dus geen TL, zou ik zeggen.

Dicht of open, is en blijft een TL, aka een pijp met staande golven.
Dat is nu ook wat je meet.

psies

zie ook:
http://www.quarter-wave.com/

[Wieger61]

Dat is een spectral decay, totaal iets anders als een burst decay.

OK. Maar wat mis ik bij de ene, wat je wel bij de andere ziet? Vise versa. De uitleg die ik vindt, legt niet uit wat je er precies mee kunt duiden. En wat niet. Ik ben dus benieuwd. Edit: Pjotr geeft al een paar tips.

[Wieger61]

ga je ook nog met een kortere buis testen? want zo ben je meer aan een TL aan t meten dan sec de backwave

De buis is achter dicht, dus geen TL, zou ik zeggen.

Dicht of open, is en blijft een TL, aka een pijp met staande golven.
Dat is nu ook wat je meet.

Een korte buis is dan toch een korte TL?

[Wieger61]

Ik heb ook metingen gedaan aan een box met baffle 20 x 30 cm, diep 25 cm, maar koos hier voor een buis omdat de plaatsing van dempend materiaal betrouwbaarder, want controleerbaarder is.
Ik gebruik dus de TL als een eerste-orde eendimensionaal reflectie- en resonantiemodel van een gewone box.

[Wieger61]

Hier de REW Waterfall gesloten buis zonder demping:

Vervolgens de REW Waterfall Gesloten buis lichte demping:

En de REW Waterfall Gesloten buis lichte demping + schuimprop:

[Wieger61]

En hier wat resultaten van metingen aan een Purifi PTT6.5W08 in een box met baffle hoog 30 cm, breed 20, diep 25.
De Frequentieresponse PTT6.5W08:

De ETC PTT6.5W08:

De REW Decay PTT6.5W08:

En de REW Waterfall PTT6.5W08:

Deze resultaten zijn wat mij betreft lastiger te interpreteren dan die van een buisluidspreker.

[OWC]

Dat komt omdat je ook heel andere dingen aan het meten bent.

Bij de buis heb je typische interferenties (staande golven), die zie je in een BD diagram.
Tot zeker hoogte kun je die ook in een waterfall zien, maar in z'n algemeen werkt een waterfall niet zo heel lekker wanneer je laag, mid en hoog wilt weergeven. Heeft REW geen BD diagram?

Daarnaast is het ook heel belangrijk hoe je de waterfall diagram afstelt.
Dat is echt een beetje trial en error, en komt later met ervaring.
Anders krijg je idd een brij.
Een waterfall en een BD grafiek is dezelfde data, enkel zet je ipv tijd (waterfall) periodes op de as (BD)
Het voordeel daarvan is dat je resonanties van zowel lage als hoge frequenties in dezelfde grafiek kunt zien.
Normaliter zou dat niet kunnen omdat de golflengtes (dus tijd) van lagere frequenties zoveel groter zijn.

Wat de ETC grafiek hier doet is mij nog steeds niet helemaal duidelijk, ik ken het enkel voor ruimte akoestiek.

Het is mij vooral niet zo heel duidelijk waar je nu naar op zoek bent?
Naar mijn idee ben je geïnteresseerd hoe verschillende dempingsmaterialen dempen?

Of ben je geïnteresseerd in hoeveel demping er nog is in een specifieke kast?

[Wieger61]

Ik wilde weten welk effect de achterwandreflectie op het geluid heeft. Zijn specifieke maatregelen nodig om die te dempen? Resonanties zijn relatief eenvoudig te dempen (ze trillen in het dempingsmateriaal en verliezen daar snel hun energie), maar een achterwaartse golf kan bij het doorlopen van de demping op de achterwand maar twee keer zijn energie verliezen. Dat dit relevant kan zijn, zie je m.i. bij dure drivers die verkleinde magneten hebben, ik vermoed om de wandreflectie tegen de magneet te elimineren. En wilde ik weten: hoeveel geluid van de actieve driver laat een passieve driver door? Zijn maatregelen nodig om dit te voorkomen?

[Pjotr]

Ik zou zeggen probeer je oren ook eens. Wel of geen demping en veel of weinig is heel goed waarneembaar. Dat geldt zowel voor de demping direct op de wand als demping d.m.v. vulmateriaal. Metingen op zich zijn waardeloos als je het niet correleert aan wat je waarneemt. Overigens is de bouwvorm van sommige exotisch drivers er op gericht om stromingsverstoringen en daarmee verliezen te elimineren. Of dat veel uit haalt betwijfel ik toch in de meeste gevallen.

[Wieger61]

Oren zijn m.i. weinig betrouwbaar. Ze wennen aan veel en houden van Hineininterpretieren. Ik zoek liever elders een norm waaraan ik mijn oren dan kan laten verbazen. Of waar ik een bevestiging van het gehoorde kan vinden.

[OWC]

De nadruk ligt wel op de correlatie, dus wel in combinatie met de JUISTE metingen.
De ervaring leert helaas wel dat men of appels met peren aan het vergelijken is, of dat men verkeerde conclusies ergens aan gaat hangen.

Hoe effectief het allemaal dempt hangt vooral van het type materiaal af en met name hoe dik dit is.
Al de exotische vormen levert vooral een dure extra behandeling en afwerking, beetje afhankelijk over welk type afwerking we het hebben.