Ik ben al een hele tijd niet tevreden met de manier waarop ik thuis luidsprekerparameters kan meten. Ik gebruik het welbekende LIMP in combinatie met een meetdoosje, maar dat heeft een paar problemen, in willekeurige volgorde:
- Zowel de "added mass" als de "closed box" methode gaan ervan uit dat de ophanging zich gedraagt als een ideale veer, en dat is niet zo. In de praktijk verslapt de ophanging bij het lager worden van de frequentie, waardoor de bepaling van Mms een onbekende fout krijgt.
- Niet alle conussen reageren even vriendelijk op het toevoegen van massa. Een kwetsbare papieren conus van bijvoorbeeld een "vintage" driver of een efficiënte breedbander kan beschadigd raken wanneer je de massa voldoende stevig aanbrengt.
- Een box timmeren voor elke speaker die ik wil meten zie ik ook niet zitten, bovendien is het effectieve volume daarvan vaak lastig te bepalen, hoe nauwkeurig je ook werkt.
- IEC 60268-5 schrijft voor: "A constant voltage or current shall be applied, the former usually being preferred". De methode geluidskaart + LIMP zit een beetje tussen beide in, met een (noodzakelijk) vrij grote meetweerstand. Dit is niet representatief voor gebruik met een versterker, die zich meestal als spanningsbron gedraagt.
- Een meting in het mechanische domein staat dichter bij wat de luidspreker echt doet, maar bij gebrek aan een meetsignaal in dat domein moet alles worden teruggerekend uit de impedantie. En die omrekening is weer gebaseerd op een onvolledig theoretisch model.
Dat kan beter. Uiteraard bedacht de heer Klippel zich dat ook, en die heeft een überfancy systeem gemaakt voor het meten van klein- en grootsignaal parameters. Hij maakt daarbij gebruik van een Laser Displacement Sensor (LDS), en die zijn helaas pindakaas nogal duur.
Of toch niet? Gewapend met mijn nieuwe LDS kon ik met gemak de BL waarde van een klein Toptone breedbandertje bepalen, en van daaruit aan de hand van de gemeten impedantiecurve (toen nog met LIMP) de rest van de parameters. Het was dus gelukt om, zonder boxje te timmeren en zonder de conus aan te raken, alle parameters te meten. Hoera!
De meting was nogal "camping style" en dus niet al te betrouwbaar, maar het proof of concept was geleverd. Ik liep tegen wat beperkingen aan. Zo heb ik een prima oscilloscoop, maar als data acquisitie frontend voor deze specifieke toepassing is het ding ongeschikt. Ideaal zou zo'n DAQ zijn speciaal voor trillingsanalyse. Na een marktverkenning bleken ze erg duur te zijn (2k plus). Dat ging dus niet gebeuren.
Of toch wel?
Fijn, maar wat heb ik nog meer nodig om netjes te meten? Afgelopen jaar heb ik spulletjes bij elkaar gesprokkeld en dat leverde het volgende op:
- Een versterker. In de buurt kon ik voor weinig een Behringer Europower 1500 oppikken, en die is ideaal voor deze toepassing. Lekker robuust, veel vermogen, door ontwerp niet in staat om een speaker te slopen met DC, en de uitgangen beschikbaar op zowel Speakon als banaanstekkers.
- Een meetdoosje met een zwevende spannings- en stroommeting om een vierpuntsmeting te kunnen doen. Ik heb dat zelf gemaakt op basis van een 0,1 Ohm shunt en twee instrumentatieversterkers. Het meet vlak van DC tot > 1 MHz, dus voor deze toepassing is het prima geschikt.
- Een paar mooie zwaluwstaart rails om de meetkop te positioneren.
Klippel gebruikt in het topsysteem een Keyence LK-H052 (LK-G5000 serie). Dat is een LDS met waanzinnige specs: meetfrequentie tot 392 kHz, repeatability 25 nm, meetbereik +/- 10 mm. Zo'n sensor plus bijbehorende controller ligt qua prijs in het bereik van een auto, dus dat zette ik uit mijn hoofd, maar niet na wat zoekwekkertjes op Marktplaats, eBay en Kleinanzeigen gezet te hebben. En toen gebeurde het onwaarschijnlijke: op Marktplaats werd een LK-H087 (ook LK-G5000 serie) aangeboden. Die is, met een bereik van +/- 18 mm, perfect voor lange slag woofers. De verkoper was een Belg die zijn magazijn opruimde, en een beetje klaar was met hijgerige opkopertjes. Hij gunde een hobbyist ook wel een lolletje, dus toen had ik voor weinig een hagelnieuwe meetkop. De controller stond op dat moment op eBay, als veiling, en ik was de enige bieder. Ik had dus ook een hagelnieuwe controller met display unit, tegen een prijs waarvoor ik 'm zelf nog niet had kunnen stelen. Ook vond ik nog een LK-H022 (perfect voor midranges en tweeters), dus op enig moment zag mijn opstelling er zo uit (versterker buiten beeld):
Het meeste werk had ik vervolgens in het maken van de libraries om de DAQ en de laser onder Python te kunnen gebruiken, maar dat werkt nu allemaal naar behoren. De DAQ heeft vier ingangen met 24 bits resolutie en een uitgang met 24 bits resolutie, en die zingen & dansen nu allemaal zoals ik dat wil. De LDS controller heeft enorm veel mogelijkheden, en die kan worden geconfigureerd en uitgelezen via RS232, maar voor snelle/real time meting moet je de analoge uitgang hebben. Op de DAQ module zijn nu drie kanalen in gebruik: spanning, stroom en uitwijking. Hiermee kon ik een meting doen aan het Toptone speakertje, en dat leverde dit plaatje op:
Blauw = gemeten impedantie, rood = resultaat modelfit, groen = snelheid van de conus (log schaal). Met SciPy is een modelfit zo gedaan, en dat leverde dit rijtje parameters op:
- Capture_1.PNG (6.41 KiB) 1110 keer bekeken
Ik ben zo onbescheiden om dit een eerste succes te noemen. Maar toch was er wat ruimte voor verbetering. Zo krijg ik bij het meten van een Kartesian SUB120 het volgende resultaat:
Hierin zie je aan de knik bij 20 Hz dat de opstelling zelfs al bij zo'n klein woofertje te wankel is. Daar is maar één oplossing voor: een klem die goed klemt, en massa heeft. Een flinke drieklauw voor een draaibank is perfect, zoiets als
dit. Van de tweedelige bekken heb ik de onderkant gebruikt, en de bovenkant heb ik vervangen door zelfgemaakte aluminium bekken, vastgezet met RVS bouten en bekleed met neopreen. Zo heb ik bekken die de luidspreker niet beschadigen, en ook de magneet niet beïnvloeden. De klauwplaat zelf weegt al zo'n 25 kg, dus knappe speaker die hierin nog ergens naartoe gaat:
Daar moet natuurlijk een mooie opstelling voor gesmurfd worden. Ik ben met een dikke plaat MDF V313 aan de slag gegaan. Het doel was om een opstelling te maken met een totaal gewicht van > 30 kg, om ook woofers met een hele hoge Mms zoals de Dayton Ultimax serie (UM15-22 heeft bijna 300 g Mms) te kunnen hebben zonder dat het hele zootje van tafel trilt. Nu ziet de opstelling er zo uit:
En dit is 'm met een wat dikkere woofer (een SB Acoustics SB23MFCL45-8):
De bekken zijn omkeerbaar, zodat ook drivers met een hele grote magneet kunnen worden ingeklemd. De eis aan de opstelling was om drivers tot en met 15 inch te kunnen inklemmen, maar zoals het nu is passen er drivers van 1 cm tot en met 18 inch in. De montagemethode geldt als "free field" zoals in de diverse IEC en AES normen wordt gehanteerd voor met meten van parameters.
Bij het meten aan de SB zag ik toch nog wat knikjes in het profiel van de conusuitwijking. Uiteraard is het onvermijdelijk dat een meetopstelling wat eigentrillingen heeft, en daar is in de IEC 60268-22 standaard ook rekening mee gehouden: de trillingen van de opstelling moeten minstens 20 dB onder de trillingen van de conus blijven. Je ziet al aankomen dat, hoe groter de Mms van de driver, hoe uitdagender dit wordt. Hier komt de
acclerometer om de hoek kijken. Deze zit op het hoekprofiel achter de LDS, om zo te kunnen kijken of de eigentrillingen van de opstelling inderdaad beneden de gestelde -20 dB blijven en eventueel het meetresultaat te compenseren voor deze trillingen. Alle 4 kanalen van de DAQ zijn nu in gebruik.
De SB heeft een Mms van zo'n 50 g, en de eis is dat de opstelling een Mms tot 300 gram (Dayton Ultimax) aankan. Om bij zo'n zware conus de eigentrillingen beneden de -20 dB te houden, moet bij de SB de eigentrilling van de opstelling beneden de -36 dB blijven. En toen werd het spannend:
- Capture_3.png (6.46 KiB) 1110 keer bekeken
Hierin is de doorlopende groene lijn aan de bovenkant de conussnelheid (gedifferentieerde uitwijking zoals gemeten door de LDS), en de grillige groene lijn de snelheid van de meetkop (geïntegreerde versnelling zoals gemeten door de accelerometer). De groene stippellijn is de -36 dB grens, en de blauwe stippellijn de modelfit. Gelukkig, geslaagd!
