Hoe zit het nou echt met piëzo's?

[Impulse]

Na dagen intensief speuren en lezen op internet ben ik er nog steeds niet uit. Hoe zit het nou met piëzo's. En dan bedoel ik met name het maken van een scheidingsfilter, c.q. correctiefilter. Ik weet dat piëzo's een slechte reputatie hebben, maar zoals ik ook gelezen heb, komt dit hoofdzakelijk doordat weinigen weten hoe je ze moet toepassen. Net als ik, want ik heb sowieso weinig verstand van elektronica. Maar piëzo's hebben naar het schijnt ook een paar zeer goede eigenschappen en dat intrigeert mij. Wat ik wel weet is dat de regels voor het maken van een scheidingsfilters voor conventionele luidsprekers niet gelden voor piëzo's.

Ik heb een aantal piëzo's die (niet lachen) nog geen €1,50 per stuk kosten. Er zit geen hoorntje op zoals gebruikelijk. Gewoon "kale piëzo". Het frequentieverloop ziet er beroerd uit, maar als ik VituixCad laat geloven dat het normale luidspreker is met een impedantie van 1000 Ω en er een filter voor ontwerp, dan ziet het frequentieverloop er behoorlijk acceptabel uit. En daar zit juist mijn probleem. Klopt mijn aanpak wel en kan het op deze manier?

Hieronder de piëzo zonder en met filter.

[Chocomel]

Ik ben ook benieuwd hoe goed je het kan krijgen. De frequentierespons na filteren valt binnen +- 3,5 dB wat redelijk is, maar is nog wel grillig. Dat grillige lijkt op resonanties te duiden. Misschien kan je het impedantieverloop ook meten en meenemen in de simulatie. Hij zou zich wat dat betreft ongeveer als een condensator moeten gedragen.

De harmonische vervorming van een piëzo schijnt op te knappen van stroomsturing. Daarvoor zal je dan wel actief moeten filteren, want door de weerstand van 8,2 ohm ziet de piëzo hoe dan ook een spanningsbron.

Op welke goede eigenschappen doel je?

[Impulse]

Helaas kan ik geen metingen verrichten, maar binnenkort koop ik wel een meetmicrofoon. Ik weet alleen nog niet welke.

De THD van piëzo's 1% is en de transient response schijnt heel goed te zijn, althans, dat ik op internet heb gelezen.

De weerstand van 8,2 Ω is al zoiets. De een zegt 22 Ω, de andere dat deze ongeveer gelijk moet zijn aan de impedantie van de overige drivers. Weer een ander zegt dat er een weerstand van circa 47 Ω in serie moet zitten en alsof dat nog niet verwarrend genoeg is, lees ik ook dat er zowel in serie als parallel een weerstand moet zitten. Zeg het maar (en dan hebben we het nog niet over de condensatoren gehad).

[beijert]

Volgens mij was het hobbyhifi die er een aantal bouwsels mee had. Die filters heb ik ook eens toegepast en dat klonk prima. Maar dan wel voor het hoogste hoog.

Die eerste resonantie wil je eigenlijk gewoon helemaal uit beeld hebben.

[Marp]

motorola_cts_piezoelectric_tweeters.pdf

Docje van Motorola/CTS.

(288.09 KiB) 206 keer gedownload

[beijert]

Hun filter voorbeelden zijn duidelijk met het budget in gedachten. Logisch, gezien de prijs van die dingen.

Met die lage waardes van de condensatoren kwam ik wel weg met kwaliteits spul. De 1.5mh spoel gooit een beetje roet in het eten. Daar heb ik nog geen budget oplossing voor.

[Marp]

De essentie is natuurlijk dat het documentje wat kan verhelderen. Het beantwoordt bijvoorbeeld heel duidelijk waar Impulse in zijn vorige bericht mee worstelde:

alsof dat nog niet verwarrend genoeg is, lees ik ook dat er zowel in serie als parallel een weerstand moet zitten. Zeg het maar (en dan hebben we het nog niet over de condensatoren gehad).

Ps: of begreep ik je verkeerd, en had je het niet over filtervoorbeelden in dat document? Achteraf viel me namelijk op dat je low budget aan "de prijs van die dingen" linkte. En aangezien je voor de prijs van 1 paar CTS piëzo's 4 dozijn van die dingen uit dit topic kan hebben...

[Impulse]

Het document van Motorola heb ik lang geleden al eens gedownload. Zonder te ver ver off topic te gaan, wil ik graag ter verduidelijking eerst even de voorgeschiedenis vertellen.

Onder andere naar aanleiding van dit document heb ik destijds ook wat geëxperimenteerd, vanwege luidsprekerbehuizingen die ik in 2004 heb gebouwd.viewtopic.php?t=13948&start=50 Destijds beschikte ik niet over de software om goede ontwerpen te kunnen maken dus was het eigenlijk allemaal een beetje op goed geluk.

Nu ik die die software wel heb, heb ik besloten om alles wat ik ooit gebouwd heb te verbeteren indien nodig. De behuizing in het genoemde topic is er zo eentje. Het concept was prima, maar ik was nooit tevoren over het resultaat. Dit kwam met name door het type behuizing: transmissionline.

Vorig jaar heb ik het hele binnenwerk er uitgehaald en er een basreflexbehuizing van gemaakt. Dit was slechts een kleine verbetering. Om er achter te komen wat er nog steeds mis was, wilde ik een simulatie van de woofer doen in "Hornresp", maar helaas had ik geen data van de betreffende woofer (SkyTronic 902.0208).

Totdat ik op internet de "Vonyx 902.208" tegenkwam. Deze zag er niet alleen exact hetzelfde uit, ook de konus was gemaakt van polypropyleen en het modelnummer stemde overeen. Het moest dus vrijwel zeker om dezelfde woofer gaan. Hiervan waren wel alle gegevens bekend, dus kon ik nu wel een simulatie uitvoeren. En inderdaad bleek deze woofer niet geschikt te zijn.

Maar er bleek ook een "kevlar-versie" te zijn van hetzelfde merk met het typenummer 902.426 en hiervan waren de reviews uitermate positief. Aangezien de simulatie er ook veelbelovend uitzag, heb ik de gok gewaagd en ze aangeschaft.

En dat was een hele goede beslissing! Want deze woofer klinkt werkelijk waanzinnig goed in de destijds gemaakte behuizingen. Maar ja, dan wil je natuurlijk ook het maximale uit de tweeter halen en dat is die piëzo waar dit topic mee begon. Back to topic...

[Impulse]

Hieronder het frequentieverloop en de impedantiecurve van de nieuwe woofer. Daaronder de combinatie met de piëzo indien deze wordt voorzien van een goede filter. De woofer is daarbij voorzien van een 1,2 mH spoel in serie.

[beijert]

De essentie is natuurlijk dat het documentje wat kan verhelderen. Het beantwoordt bijvoorbeeld heel duidelijk waar Impulse in zijn vorige bericht mee worstelde:

alsof dat nog niet verwarrend genoeg is, lees ik ook dat er zowel in serie als parallel een weerstand moet zitten. Zeg het maar (en dan hebben we het nog niet over de condensatoren gehad).

Ps: of begreep ik je verkeerd, en had je het niet over filtervoorbeelden in dat document? Achteraf viel me namelijk op dat je low budget aan "de prijs van die dingen" linkte. En aangezien je voor de prijs van 1 paar CTS piëzo's 4 dozijn van die dingen uit dit topic kan hebben...

Ik zat nog met de oude Motorola prijzen in mijn hoofd, al zijn die drivers van monacor net zo goed (zo niet dezelfde?), wat ik zo gelezen heb.

[Impulse]

De eerste concrete vraag die ik heb, is de volgende. Het document van Motorola waar Marp naar verwijst toont drie curves van drie types. Mag ik aannemen dat het in mijn geval om de bovenste gaat en de impedantie bij 4 kHz circa 250 Ω is ?

Hetzelfde document geeft aan dat het parallel aansluiten van een 8,2 Ω weerstand over de piëzo het mogelijk maakt om er een scheidingsfilter voor te maken. Is dat omdat de vervangingsweerstand van deze twee waarden bij een parallelle aansluiting 7,9 Ω is?

Daarentegen heb ik ergens anders gelezen dat een waarde van 8,2 Ω veel te laag is omdat de weerstand dan teveel vermogen moet opnemen en het daarom beter is om een weerstand van 22 Ω te kiezen. Dit klink mij op zich logisch en als mijn bovenstaande redenering klopt, zou ik dus in dit geval een vervangingsweerstand van 20,2 Ω moeten hanteren voor het berekenen van een scheidingsfilter. Wat ik me dus afvraag is dus welke van de twee weerstanden beter gebruikt kan worden en welke gevolgen heeft dit voor de geluidsdruk?

De volgende vraag. De impedantie van een piëzo blijkt volgens het document van Motorola erg hoog te zijn in het hoorbare gebied maar afneemt in het ultrasone gebied. Omdat een piëzo zich in die zin blijkbaar hetzelfde gedraagt als een condensator, kan ik het wel beredeneren dat de impedantie op een gegeven moment zo laag wordt, dat de versterker in het ultrasone gebied wordt kortgesloten en dat dit leidt tot het instabiel worden van de versterker. Klopt mijn redenatie?

Ongeacht of mijn bovenstaande redenatie klopt of niet, heb ik in het document van Motorola ook gelezen dat een weerstand in serie van circa 50 Ω in serie geschakeld het instabiel worden van de versterker voorkomt. Maar in een ander document lees ik dat een weerstand van 25 Ω in serie de piek rond 4 kHz drastisch verminderd. Welk advies kan het beste worden opgevolgd?

Tot slot mijn voorlopig laatste vraag. Kan ter voorkoming van een eventuele instabiele versterker een spoel in serie worden gebruikt in plaats van een weerstand? Met mijn beperkte kennis van elektronica zou ik denken van wel omdat de weerstand van een spoel bij toenemende weerstand eveneens toeneemt en dus de nodige bescherming in het ultrasone gebied waarborgt. Of sla ik de plank volledig mis?

[jvenema]

Het lijkt me dat je gelijk hebt wat de spoel aangaat. Hou er wel rekening mee, dat als de piezo zich als een condensator gedraagt je dan een LC kring maakt die ook weer een resonantie heeft. I denk het best is even het impedantie verloop te meten over een groot bereik en dus ook de hoogte in qua frequentie. Als je dat dan gebruikt samen met het liefst de echt gemeten frequentie response van de tweeter in vituixCad, dan kan je daar best een filter voor maken. De impedantie richting 8 ohm brengen lijkt me alleen nuttig voor gebruik een "standaard"te kopen filter. Als je die zelf ontwerpt en je weet impedantie verloop, dan maakt het feitelijk niet uit of het 8 of 100 ohm is. Hogere waardes zijn wat betreft kosten onder delen gunstiger, want in filter kan je dan lagere compenent waarden gebruiken en die zijn goedkoper. Dus door een 8 ohm paralel te zetten maak je alleen de kosten hoger.
In vituixCad kan je dan ook zien wat d etotale imperantie wordt die de versterker ziet van tweeter en filter. En als blijkt dat die niet heel erg laag zakt ergens dan is het goed.

[beijert]

De kosten kunnen fors hoger worden wanneer er een spoel gebruikt gaat worden.

Ik gebruikte waardes van 0.22 tot 0.47uf dus als die verveelvoudigen is dat nog niet heel spannend.

[jvenema]

Spoelen aan de tweeter kant zijn meestal een stuk kleiner, dan die je aan de woofer kant gebruikt en als de impedantie ook nog hoog is, moet je zelfs opletten of de waarde niet zo klein wordt, dat die er nog wel is. Denk dat de kosten voor een spoel aan de tweeter kant wel mee gaan vallen. Als je kijk op Rumoh voor een luchtspoel van 150uH wat in een van die schema's staat, dan kost die 2,58 wat me niet als een duur onderdeel overkomt.

[beijert]

Ik kwam op 1.5mh uit. En dat wordt een stukje hoger natuurlijk naarmate de uiteindelijke impedantie van je tweeter dat ook wordt. Het is een beetje balanceren.


Dit was alles wat ik nog aan gebruikte onderdelen had liggen in die waarde. Een beetje overkill voor het werk wat ie moet verrichten.

[Impulse]

Afgelopen vrijdag kwam de meetmicrofoon binnen die ik besteld had. Ik ben meteen aan de slag gegaan, vandaar dat het even stil was. Na heel veel proberen en meten, is de uitkomst totaal onverwacht en verrassend. Er is niets overgebleven van de scheidingsfilter die ik voor ogen had! De combinatie van de twee luidsprekers is optimaal als de polariteit van de piëzo wordt omgedraaid en er een weerstand van 22 Ω in serie en een spoel 0,22 mH parallel voor wordt gezet. De woofer is niet eens gefilterd. Ik moet er wel bij zeggen dat ik de metingen heb gedaan in mijn huiskamer op 1 meter afstand. In een akoestisch dode kamer zou de meting er natuurlijk heel anders uitzien, maar de luisterruimte (in dit geval de huiskamer) is wel de realiteit. Het bleek dat er ook een flinke dip rond 120 Hz zat. De kamer was niet de oorzaak, want meer rockwool bleek de oplossing te zijn.

[TTS]

Het bleek dat er ook een flinke dip rond 120 Hz zat.

Heb je een "gated" meting gedaan? En ook een nearfield/close meting? En die gecombineerd/samengevoegd?

[jvenema]

Ik heb het eerder meegemaakt met een instrument versterker met een piezo tweeter, dat de frequentie response beter werd met ompolen. Niet dat het toen geweldig werd, maar het ging van erg belabberd naar slecht. Ik snap dat dan niet, je hebt los van de keuze keuze van de waarde van de condensator van scheidings filter twee keuzes, waarom neem je dat de slechtste van die twee?
Ik heb uiteindelijk de tweeter vervangen en een schedings filter ontworpen, waarbij nu ook de "woofer" gefilterd werd, want eerst was die niet gefiltert, was er alleen een condensator voor de piezo tweeter. Verder wat bracing en demping in de Roland gestopt en que geluid knapte hij er enorm van op. Maar je snapt dan niet dat het zo gefrabriceerd wordt. Tegen dezelfde kosten was het gemakkelijk een stuk beter te maken, alleen ompolen gaf al een duidelijke verbeteringm was dat dan een assemblace fout?

[bert stoltenborg]

Motorola had/heeft een dual piezo die op de as best goed meet, ik geloof dat het type 1177 heet.
Natuurlijk doet het ding pas iets vanaf 4000 Hz, maar wel netjes recht
Om hem heel te houden deden we er een netwerkje voor met een 10 mu mkt in serie, een 100 ohm weerstand parallel, een lampje van 12v serie en een diode van 39V/1.3W

[Impulse]

Ik heb de piëzo vervangen door de DTW72 van Visaton. Niet omdat de piëzo slecht is, maar omdat hij te zacht speelt in verhouding tot de woofer.
Tijdens het experimenteren met piëzo's heb ik wel veel geleerd. Met behulp van mijn meetmicrofoon weet ik nu hoe je piëzos aangenaam kunt laten klinken en er een scheidingsfilter voor kunt maken.

Uit de vele test die ik heb gedaan, blijkt dat het in serie plaatsen van een weerstand voor de piëzo nauwelijks effect heeft op het frequentieverloop. Ook niet door een condensator in serie met de piëzo in combinatie met een weerstand parallel over de piëzo. Wat wel goed blijkt te werken is een condensator in serie met de piëzo in combinatie met een spoel parallel over de piëzo. Met name de piek rond 4-5 kHz waar veel piëzo's last van hebben, wordt zeer effectief onderdrukt, terwijl de hoogste frequenties slechts beperkt worden beïnvloed. Sterker nog, de frequenties tussen deze gebieden worden zelfs iets luider! Misschien dat iemand kan uitleggen waarom deze combinatie zo goed werkt en waarom het tussengebied in luidheid toeneemt, want zelf heb ik er geen verklaring voor. Overigens, de gebruikte componenten in het onderstaande voorbeeld zijn een condensator van 2,2 µF in serie met de piëzo en een spoel van 0,10 mH parallel over de piëzo.

Inmiddels ben ik alweer een tijdje bezig met het optimaliseren van andere luidsprekers die ik ooit gemaakt heb en die zijn te vinden in dit topic. In deze luidsprekers zitten eveneens piëzo's, maar daar is vervanging door traditionele luidsprekers geen optie. De laagmidwoofer AS165W van Renkforce heb ik vervangen door de fullrangewoofer BG17 van Visaton omdat deze verder doorloopt in het hoog en daardoor beter aansluit op de gebruikte piëzo's. Wel heb ik een weerstand van 15 Ω voor de fullrangewoofer moeten zetten omdat deze te luid was in verhouding tot de rest. Wat me wel is opgevallen, is dat de vier gebruikte piëzo's sterk verschillen volgens mijn metingen. Daarom heb ik nieuwe besteld, ditmaal van GRS, in de hoop dat deze wel op elkaar lijken. Ik hou jullie op de hoogte.

[AntonZ]

Beetje mosterd na de maaltijd, maar ik kwam dit pas enige tijd later tegen:

De volgende vraag. De impedantie van een piëzo blijkt volgens het document van Motorola erg hoog te zijn in het hoorbare gebied maar afneemt in het ultrasone gebied. Omdat een piëzo zich in die zin blijkbaar hetzelfde gedraagt als een condensator, kan ik het wel beredeneren dat de impedantie op een gegeven moment zo laag wordt, dat de versterker in het ultrasone gebied wordt kortgesloten en dat dit leidt tot het instabiel worden van de versterker. Klopt mijn redenatie?

Ja, dat klopt.
De daarop volgende vragen gaan mijn kennis helaas te boven, maar instabiliteit van de versterker bij gebruik van piëzo's zonder voorschakel weerstand is een bekend fenomeen. Het zal van de versterker in kwestie afhangen of dit inderdaad gebeurt. Omdat het in het ultrasone gebied optreedt, horen wij dat niet direct. Daarom (en om enige vrijheid te hebben in toepassen van verschillende versterkers) lijkt het mij verstandig om hier hoe dan ook op te anticiperen. Ik heb enkele PA luidsprekers met piëzo tweeters. Die hebben om deze reden ook een weerstand in serie met de piëzo's.

Ongeacht of mijn bovenstaande redenatie klopt of niet, heb ik in het document van Motorola ook gelezen dat een weerstand in serie van circa 50 Ω in serie geschakeld het instabiel worden van de versterker voorkomt. Maar in een ander document lees ik dat een weerstand van 25 Ω in serie de piek rond 4 kHz drastisch verminderd. Welk advies kan het beste worden opgevolgd?Technical white paper 01.png

Tot slot mijn voorlopig laatste vraag. Kan ter voorkoming van een eventuele instabiele versterker een spoel in serie worden gebruikt in plaats van een weerstand? Met mijn beperkte kennis van elektronica zou ik denken van wel omdat de weerstand van een spoel bij toenemende weerstand eveneens toeneemt en dus de nodige bescherming in het ultrasone gebied waarborgt. Of sla ik de plank volledig mis?

Hier moet ik helaas ook afhaken. Invloed op het gedrag rond de piek van 4kHz zou je nog kunnen meten. Ik kan het niet beredeneren (maar dat ligt dan vooral aan mijn gebreken, niet zozeer dat het niet te beredeneren zou zijn ).