Akoestisch low-pass filter

[Jacob]

Geluid absorberende platen absorberen goed in het hoog, maar niet of nauwelijks in het laag.

Bovenstaande grafiek geeft de demping van melamine schuim plaat en is te vinden op:
https://www.akoestiekwinkel.nl/flamex-b ... che-platen

Als je nu een dergelijk materiaal voor een speaker plaatst mag je verwachten dat lage frequenties worden doorgelaten en hoge worden tegengehouden. Kortom het werkt als laagdoorlaat filter.
Ik gebruik 4 cm dik melamine schuim als extra filter voor de subwoofers van mijn omni’s. Gemeten met REW lijkt het te werken maar het meten van lage frequenties in mijn kamer gaat erg moeizaam.
Samenvattend vermoed ik dat het schuim een eerste orde afval geeft met een kantelfrequentie omgekeerd evenredig met de dikte van het schuim. Ik heb geen idee of er fasedraaing optreedt.
Graag hoor ik van jullie eventuele ervaring hiermee ? Met name ben ik nieuwsgierig naar meetresultaten.

[Chocomel]

En, wat is je eerste indruk? Heb je er metingen van gedaan?

Zo'n plaat wordt getest op een harde wand in een galmkamer. De reden dat de demping wegvalt in de lage tonen (je grafiek), is dat de harde wand reflecteert. De inkomende en gereflecteerde golf tellen bij elkaar op, op zo'n manier dat de deeltjessnelheid nabij de wand klein is. Zulk vezel- of sponsachtig materiaal haalt zijn werking uit dat het weerstand biedt aan de bewegende deeltjes, dus kan het nabij de wand niet werken. Nabij is een fractie van de golflengte. Zeg 1 cm voor hoge tonen en 1 meter voor lage tonen. Gelukkig heeft zo'n plaat dempingsmateriaal een bepaalde dikte, zodat er ook materiaal is op een stukje afstand van de muur. Voor hoge tonen is dit genoeg, voor lage tonen niet.

[Jacob]

Ja, ik heb een ruwe meting gedaan en de plaat had zeker het beoogde effect. Maar de meting was niet erg nauwkeurig.

Bedankt voor de toelichting. Merk op dat bij de galmkamertest het geluid 2x de plaat moet passeren. Als je dus de grafiek wilt gebruiken om de transmissie te berekenen moet je bedenken dat je een 2x dikkere plaat nodig hebt dan de dikte die past bij een bepaalde kromme van de grafiek.
Overigens is er nog tweede testmethode, n.l. de proef van Kundt. Hierbij wordt het te testen materiaal in een buis geplaatst. Aan de ene kant van de buis heb je dan een luidspreker en aan de ander kant een microfoon. Absorptie wordt gemeten als functie van frequentie. Deze laatste meetmethode sluit beter aan bij de hier voorgestelde toepassing. Overigens zijn beide methoden gestandaardiseerd.
Een directe REW meting aan een luidsprekerbox met en zonder absorptieplaat zou trouwens ook moeten kunnen.

[Jacob]

Ik heb slechts 1 REW meting met en zonder een cover van 4 cm melamineschuim. De meting is gedaan in mijn woonkamer met de microfoon op zo’n 3 meter afstand.
Meting is gedaan aan een gesloten box van 30 liter met een Dayton DA175-8 woofer. De woofer is reeds elektrisch gefilterd met 3,3 mH.

Het plaatje toont een duidelijke extra verzwakking t.g.v. het melamineschuim. De exacte eigenschappen van het schuim blijven onduidelijk.

[markbakk]

Die meting lijkt me wel valide. Je ziet meteen het probleem: zo'n filter heeft een shelf-functie, terwijl je een lowpass-functie wil hebben. Maar wat maakt dat je akoestisch wilt filteren?

[Jacob]

Ik streef naar een minimum-fase systeem. Ik kan de woofer dan maar eerste orde filteren. Elk extra beetje verzwakking bij hogere frequenties is dan welkom (mits er geen extra fasedraaing wordt geïntroduceerd).
De shelf functie betekend dat hoge frequenties, ook de hele hoge, slechts ca. 6 dB worden verzwakt door het melamineschuim. Dit is niet wat ik had verwacht van een absorberende plaat.
Het je trouwens enig idee welk fysisch mechanisme dit gedrag veroorzaakt ? Kan de hoogte van de shelf afhankelijk zijn van de dikte van de schuim plaat ?

[markbakk]

De fysische mechanismen van absorptie zijn wat complex om hier allemaal uit te schrijven en mijn kennis is roestig. Op het internet zijn wel standaardwerken te vinden (hoofdstuk 8 van 'Fundamentals of Acoustics' van Kinsler bijvoorbeeld). Zulke standaardwerken beschrijven ook wel akoestische lowpass-filters (op basis van resonatoren).

Bedenk wel dat ook een stuk schuim in de signaalweg zetten een fasedraaiing oplevert (de snelheid van het geluid in het materiaal is immers anders). Ik begrijp overigens niet waarom minimum-fase een wens is (met een Butterworth filtertopologie krijg je bijvoorbeeld een goede power-response en die lijkt me voor deze opzet wel belangrijk) en waarom dat niet te bereiken zou zijn met filters.

[Chocomel]

Heb je een foto van de meetopstelling?

[Jacob]

Heb je een foto van de meetopstelling?

De volgende foto is genomen vanaf de luisterplek, dit is ook de plek waar de microfoon was geplaatst.

Bij de meting werd alleen de subwoofer van de linker box aangestuurd.

Ik heb nog wat zitten kijken naar de REW data waarbij ik met cover geplaatst heel veel fase draaiing dacht te zien.
Ik heb echter geen ervaring met REW. Zou het helpen als ik de REW.mdat file hier plaats zodat jullie ook eens kunnen kijken ?

[Chocomel]

Dank je. Ik was eigenlijk vooral benieuwd naar hoe je de plaat voor de luidspreker had gemaakt. Als het geluid er namelijk 'langs' kan, zal dat voor lage tonen makkelijker gaan dan voor hoge. Die hoge tonen kunnen echter alsnog via je reflecterende muren bij de microfoon komen. Aan je meting te zien, staat er geen tijdsvenster ingesteld om reflecties buiten beschouwing te laten.

Als je het leuk vindt, kan je de meting herhalen met een plankje dat dezelfde afmetingen had als het stuk schuim en op dezelfde manier voor de luidspreker stond. Ik ben benieuwd wat je dan krijgt.

[Jacob]

Ik denk niet dat dit zin heeft. Op de foto kun je de nis zien waar de schuimplaat, met het luidsprekerdoek er omheen gevouwen, strak in ligt. Er kunnen dus onmogelijk lage tonen omheen. Een plank met dezelfde afmetingen op de plek van de schuimplaat zou de subwoofer volledig afsluiten.

[Chocomel]

Duidelijk!

[kerwin]

Ik vind je benadering erg interessant, zeker een mooie uitdaging.
Wat ik me afvroeg is hoe je het hoogfrequent verval van je subwoofer wilt aansluiten op je mid/hoog drivers?
Je geeft al aan voor een minimum-fase te gaan, dus een asymmetrisch filter gaat geen optie worden lijkt me?
Ben benieuwd!

[Jacob]

Ik dacht dat het zo zat:
Als eis voor minimum-fase geldt in theorie dat één zijde van een frequentie-wissel een eerste orde filter moet zijn. De andere zijde van de wissel mag dan elke orde hebben. Zo’n filter is dus a-symetrisch (behalve bij twee maal eerste orde).
Dus b.v. een tweeweg systeem met een eerste orde hoogaf gefilterde midwoofer in combinatie met een tweede orde laagaf gefilterde tweeter kan in theorie dus een minimum-fase systeem zijn.

In de praktijk heeft een minimum-fase systeem echter meestal meer na- dan voordelen. Het nut van een akoestisch filter is, gezien het voorafgaande, ook twijfelachtig.
Bedenk verder dat vele experts van mening zijn dat minimum-fase gedrag geen nut heeft.

[Jacob]

Ik heb nog wat REW metingen gedaan met resp. 0, 4, en 8 cm melamineschuim voor de subwoofer.

Metingen zijn gedaan aan een gesloten box van 30 liter met een Dayton DA175-8 woofer. De woofer is reeds elektrisch gefilterd met 3,3 mH.
Afstand microfoon tot stofkap woofer was 14 cm.

SPL zonder melamine (bruin), met 4 cm melamine (groen) en 8 cm melamine (blauw)

SPL en minimum phase zonder melamine plaat voor de woofer

SPL en minimum phase met een melamine plaat van 4 cm dikte voor de woofer

SPL en minimum phase met een melamine plaat van 8 cm dikte voor de woofer

Het is duidelijk dat het melamine schuim extra fase draaiing introduceert

Inpuls responsie zonder melamine plaat voor de woofer

Inpuls responsie met een melamine plaat van 4 cm dikte voor de woofer

Inpuls responsie met een melamine plaat van 8 cm dikte voor de woofer

Melamine schuim verslechterd de impuls responsie

[markbakk]

Ik zei toch dat je fasedraaiing zou krijgen… en het is geen slechtere impulsresponse. Maar een impuls plus lowpass-response. Ik begrijp overigens nog steeds je ontwerpdoel niet.

[Jacob]

Als je wat langer naar de meetresultaten kijkt kan je ook het volgende concluderen:
1: Het schuim heeft het karakter van hoogaf filter, dus geen shelf. De filterorde is evenredig met de dikte van de schuimplaat. 4 cm schuim geeft
ca. 1,7 dB/octaaf verzwakking. 8 cm geeft ca. 3,4 dB/octaaf. Als dit effect zich voortzet zal bij ca. 14 cm schuim de afval 6 dB/octaaf zijn.
2: De extra fase die het schuim introduceert lijkt ook evenredig met de dikte van het schuim. Voor 4 cm schuim is dit ca. 18 graden, voor 8 cm ca. 36
graden.
3: De kantelfrequentie waarbij de afval begint is ca. 250 Hz en lijkt onafhankelijk van de schuimdikte. Is dit misschien een materiaaleigenschap ?
Helaas zijn de meetresultaten nog te onnauwkeurig voor het trekken van conclusies.

Je conclusies over de impuls responsie begrijp ik niet. Zijn alle drie de impuls responsies even goed, dus en maakt het schuim niets uit ?

Het ontwerp doel heeft te maken met het zo goed mogelijk weergeven van het oorspronkelijk geluid. Ik kom daar nog op terug.