Revisie LS3/5a kloon

[jeroen_d]

Hoi,

Ik heb toestemming van de eigenaar om zijn LS3/5a kloon, al zo'n 25 jaar oud, van een nieuw scheidingsfilter te voorzien. Ik vind dit een heel leuk project, want hij is zo oud dat de units erg lijken op die van de originele BBC versie! De kloon is dus gebouwd begin jaren 80, met erg veel liefde. De kast is gemaakt van massief kersenhout. De filtercomponenten waren voor die tijd redelijk state of the art, geen elco te vinden. Echt een liefhebber die zelfbouwer, die ik overigens niet ken.



Ik heb ze altijd mooi vinden klinken, maar ook altijd gevonden dat er een, overigens niet echt onaangename, kleuring zit in het middengebied. Verder is de 3 dB hump in de bas nogal goed hoorbaar, maar dat hoort zo. Die is karakteristiek voor de LS3/5a. Het hoog klonk beslist niet alsof het vlak is, dit in tegenstelling tot wat de specs doen vermoeden.

Voor het artikel van het originele ontwerp, zie http://www.bbc.co.uk/rd/pubs/reports/1976-29.pdf

Het probleem van de LS3/5a is altijd geweest, dat de units vaak buiten spec vielen. Dit door het gebruikte woofer materiaal, Bextrene. Voor een leuk verhaal over de verschillende versies, zie http://hi-fidelity.com/ls35astory.htm. Het gevolg van het buiten spec vallen is dat er telkens nieuwe variaties op het originele scheidingsfilter van de BBC kwamen. Ook is in latere versies een andere woofer gebruikt met een vlakkere respons. Dit vergrootte de verwarring rond de scheidingsfilters. Het nieuwe scheidingsfilter met de oude unit past daardoor te weinig correctie toe. Als je meer geïnteresseerd bent om alles te weten over de LS3/5a, kan je hier terecht: http://www.ls35a.com/

Goed, ik mocht hem dus eens opmeten. Kijken of wat ik hoorde aan tekortkomingen ook uit de meting kwam. Dat was duidelijk. Een 5 dB bult rond 1250 Hz en boven 6000 Hz 4 dB te weinig niveau. Aan de eigenaar laten zien en een nieuw project was geboren afgelopen weekend!



Jeroen

[Edo]

He Jeroen,
Erg leuk dat je aan dit model wat kan meten en "bewerken". Ik heb ze vroeger (heel wat jaartjes geleden) mogen bewonderen bij m'n opa. Ik was zelf nog niet zo bezig met luidsprekers toen, maar toen hij andere speakers kreeg vond ik het jammer dat die oude beestjes weggingen.
Heb er leuke herinneringen (zei het vaag) aan.

[jeroen_d]

Omdat ik de kloon op originele specs wil brengen moet eerst 1 cm dik wolvilt worden aangebracht rond de tweeter. Dat had ik nog liggen want ik heb hier voor mijn eigen monitors ruim een jaar geleden mee zitten experimenteren. Met uiteindelijk als resultaat dat ik het niet wilde gebruiken. Maar voor de LS3/5a is het geen slecht idee, de mooi rondstralende erg kleine tweeter zal veel diffractie veroorzaken met de uitstekende rechte randen van de kast.

Hieronder dubbelzijdig tape aangebracht op het vilt.



Vilt in het frame met doek gelegd en bruine beschermlaag van de tape gehaald.



Frame op de luidspreker geplaatst, vilt aangedrukt en voila!



Jeroen

[jeroen_d]

Nu wil ik de units gaan meten, dus het oude filter moet eruit. Hieronder een serie foto's van het verwijderen van de filters, het aansluiten van enkel de tweeter, terugplaatsen van dempingsmateriaal (jeez dat stinkt!) en terugplaatsen van het frontje want ik meet zoals ie beluisterd gaat worden.

N.B. Dat filter heeft 22 onderdelen! Dit wordt deels veroorzaakt door het parallel schakelen van componenten om op de juiste waarde te komen. Verder zijn sommige MKT opgewaardeerd door er een hoogwaardige kleine condensator overheen te zetten.















Jeroen

[Edo]

....... (jeez dat stinkt!) .....

.... .....
Zit er natuurlijk al wat jaartjes. Die zwarte laag op 1 van je foto's...soort teer achtig iets?

[jeroen_d]

bitumen achtig. kastje is mooi gedempt zeker gezien de dikte van slechts 12 mm.

[weidok]

Ha de KEF B110 A SP 1003 en tweeter T 27 ?
Heb ik ooit eens gebruikt
klonk in die tijd heel mooi
Wel een gecompliceerd filter voor tweeweg

Had ooit een boekje met KEF ontwerp (blauw geruit)
maar die ben ik kwijt jammer

[richard]

Het ontwerp lijkt inderdaad wat op de Kef CS-1A, die staat ook in het boekje Personal HiFi.

Het filter is daarin ook al aardig complex. 12 onderdelen: 3 spoelen, 5 condensatoren en 4 weerstanden. De verschillende waarden van de condensatoren zijn niet altijd in de standaardreeks te leveren, al is het volgens de tekst wel van belang dat de waarden nauwkeurig worden aangehouden, dan krijg je inderdaad een samenstelsel zoals op de foto.

Gemeten en gepaarde wisselfilters werden onder nummer KEF 2015 geleverd.

Het kastje van de CS-1A was van 12 mm multiplex.

[jeroen_d]

Als je goed naar het originele filter van de BBC kijkt weidok, valt het op zich wel mee met de complexiteit. Gewoon even door het aantal componenten heenkijken en kijken wat ze doen.

Voor de tweeter een 3de orde, met een weerstandje over de spoel om die wat te dempen en een zobel netwerkje voor de tweeter. Zo kom je al gauw aan 6 componenten.

Voor de woofer is het eigenlijk gewoon een 2de orde laagdoorlaat, maar deze is aangevuld met een sperfilter om de bult rond 1200 Hz te onderdrukken. De condensator van het laagdoorlaatfilter is gesplitst in tweeën en aan weerskanten van het sperfilter gezet. En dan is de spoel van het laagdoorlaatfilter ook nog wat gedempd met een weerstand. 7 componenten dus in totaal.

Ik zal mijn best doen om het aantal componenten te beperken. Het sperfilter zal ik echter nodig hebben, dat is onvermijdelijk met deze woofer als je geen hoorbare kleuring wilt. Ik heb het voordeel van 'moderne' optimalisatie software AudioCAD waarmee het relatief eenvoudig is om met een minimaal aantal componenten tot een maximaal vlakke respons te komen.

Hieronder de eerste meting, met het filter eruit en de microfoon vlak voor de midwoofer geplaatst. Je kunt aan deze meting zien dat de woofer een uitermate vriendelijk karakter heeft totdat het opbreken begint. Moderne woofers doen het echt niet beter. Deze extreem vlakke meting maakt ook duidelijk dat staande golven goed gedempt zijn, ik laat het oude stinkende dempingsmateriaal dus lekker zitten. De dip bij 1500 Hz is wel behoorlijk groter dan bij moderne midwoofers. Later zal duidelijk worden hoe het sperfilter hier uitkomst biedt.



Jeroen

[jeroen_d]

Hierbij de woofer en tweeter metingen op 1 meter afstand van de baffle. Ik speel in DLSA altijd met de virtuele afstand die je bij Processing Parameters kunt instellen, zodanig dat de tweeter een absolute fase vertoont in het hoogfrequent gebied zoals je die zou mogen verwachten. Vermeldenswaard is de enorme diffractie bult bij 1700 Hz van de tweeter. Als je denkt theoretisch een filter te kunnen berekenen, ga je hier dus geweldig de mist in

Bij deze zelfde instelling meet ik dan ook de woofer op. Hier corrigeer ik dus expres niet, om zo de extra fase mee te meten die veroorzaakt wordt doordat het akoestische centrum van de woofer enige centimeters achter dat van de tweeter zit. In dit geval best erg want de woofer is achterop de baffle gemonteerd. De fase draait in het hoog dus erger dan dat je in de vorige post zag bij de meting met de microfoon vlak voor de woofer. Ook zie je dat de frequentie waar de fasedraaiing 0 graden is (750 Hz), hoger ligt dan bij de meting vlak voor de woofer (500 Hz). Dit komt door de bafflestep.

B110-A (SP1003)


T27-A (SP1032)


Jeroen

[richard]

Bij deze zelfde instelling meet ik dan ook de woofer op. Hier corrigeer ik dus expres niet, om zo de extra fase mee te meten die veroorzaakt wordt doordat het akoestische centrum van de woofer enige centimeters achter dat van de tweeter zit. In dit geval best erg want de woofer is achterop de baffle gemonteerd.

In het oorspronkelijke filterontwerp is met het afstandverschil tussen woofer en tweeter rekening gehouden, de referentieas ligt op die manier 2° boven de horizontaal. De dodekamer-meting op de referentieas op 2 meter afstand is overigens aardig vlak.

[jeroen_d]

En precies omdat ik daar ook in het filter rekening mee ga houden meet ik het zo op.

Wat je aangeeft is overigens inderdaad wat voor de CS1-A wordt opgegeven. Dit zegt trouwens niets over de originele LS3/5a. Het CS1-A filter is een vereenvoudigde versie van het originele BBC filter en is bovendien gemaakt voor latere versies van de B110-A en T27-A. Verder, die twee graden is slechts een ontwerp keuze van KEF en heeft op zich niets te maken met het grote faseverschil dat door de naar achteren staande woofer wordt veroorzaakt.

Richard, het gaat hier niet om de CS1-A. Het is gewoon een ander filter en het zijn oudere drivers. Verder, de precisie die gesuggereerd wordt in de promotie foldertjes van KEF van toen, is slechts leuke marketing. Ze verdoezelen dat de tolerantie in de produktie van de drivers niet onder controle was en dat het eigenlijk geen zin heeft om heel precies hetzelfde filter te bouwen voor elke CS1-A. Elke CS1-A, hoe zorgvuldig ook gebouwd, zal niet de mooie vlakke karakteristiek van het foldertje laten zien. Dat gold alleen voor de originele LS3/5a die door de BBC per kastje werd nagemeten en waarbij vele B110-A units werden afgewezen en voor andere doeleinden (vul zelf maar in) werden gebruikt.

Ok, ik ga weer verder met het ontwerp. Interrupties zijn trouwens welkom hoor, gooien we er telkens even wat wetenswaardigheden en discussie doorheen

Jeroen

[richard]

Ik trok de conclusie omdat in de CS1A ook de SP1003 en SP1032 worden gebruikt, bovendien is de opbouw van het kastje nagenoeg gelijk met het bouwvoorbeeld uit mijn boekje.

[jeroen_d]

Voordat ik mijn filter ga ontwerpen, wil ik eerst een goede voorspelling doen van het gedrag van de woofer in een dode kamer. Ik heb met DLSA een 'dode kamer' meting gemaakt door een tijdvenster aan te brengen van ongeveer 3.5 msec. Daarmee vermijdt je het meenemen van reflectie in de kamer in het meetresultaat. De beperking hiervan is dat je uitsluitend het dode kamer gedrag boven 300 Hz krijgt. Ik wil middels deze simulatie achter het gedrag beneden 300 Hz komen.

T.b.v. de voorspelling gebruik ik het simulatieprogramma The Edge. Ik simuleer de baffle met de woofer erop en kijk wat voor karakteristiek dat oplevert.



Vervolgens ga ik spelen met de bafflestep compensatie totdat de karakteristiek vlak is tot 300 Hz. Ik krijg daarmee informatie over het elektrische equivalent voor het circuit dat deze bafflestep simuleert tot 300 Hz.



Dan ga ik de close range meting in AudioCAD manipuleren door deze karakteristiek aan te passen met het omgekeerde van dit circuit. Dat circuit ziet er op basis van bovenstaande simulatie als hieronder uit. In AudioCAD voer ik in dit geval alleen de akoestische gegevens in, niet de elektrische impedantie van de woofer anders simuleert het gevonden circuit niet goed.



De condensator is berekend met de volgende formule: C = 1 / (2*pi*f1*R2) = 55.16 nF. Verder is de impedantie van het gehele circuit verlaagd met een factor 1000 omdat AudioCAD niet goed met nF werkt, omzetten naar μF dus. Hieronder zie je wat dit circuit doet. Mooi ook om te zien wat het met de fase doet, komt mooi overeen met de faseverschuiving naar hogere frequentie bij de akoestische meting op 1 meter afstand waar je het bafflestep amplitude en fase effect akoestisch mee meet. Altijd leuk om te zien hoe je akoestisch gedrag elektrisch kan nabootsen.



Jeroen

[weidok]

Dat gold alleen voor de originele LS3/5a die door de BBC per kastje werd nagemeten en waarbij vele B110-A units werden afgewezen en voor andere doeleinden (vul zelf maar in) werden gebruikt.
Jeroen

Wist wel dat dit speakertjes iest speciaal hadden
Heb ooit eens de LS3/5a (kloon?) gehoord
en dacht dus dat is een bouwpakket van KEF de CS1-A was
Ja en dat vond de eigenaar dus niet leuk

Doek werd ervoor weggehaald en verrek de basmid
zat van binnenuit gemonteerd en je keek zo tegen
de inslagmoeren aan ..

Remo heeft de basmiddenspeakertjes wel 30 jaar
in hun TL ontwerpen gehad dus de KEF B 110 A of B ?
waren of zijn zo slecht nog niet (mits goed gefilterd)

[Rudy]

Jeroen,

wrm zo moeilijk doen met die bafflestep reconstruktie, daar dit toch niet het gewenst resultaat zal afleveren omdat de praktische construktie van kast/montage niet eens berekenbaar is.

Zie het nut er niet egt van in eerlijk gezegd. Nu proberen eruit te geraken om het gedrag in een dode kamer te simuleren met een oneindige baffle om daarna terug te simuleren wat het doet met die kast ? Wat je al hebt opgemeten ?

BSC berekeningen zijn puur theoretisch en staan staan ver van de uiteindelijke meting en curve, het dient enkel om een "gedacht" te geven wat het ongeveer doet.

Denk eraan dat die klere balkjes aan de randen het simuleren niet egt mogelijk maken, ook al heb je de informatie van je speaker.

Wel ja, khoop voor je dat het wel gaat, maar twijfel het sterk.

Groetjes
Rudy / die de fuzz rond die speaker nooit heeft begrepen

[jeroen_d]

Nu eens even controleren of deze bafflestep simulatie iets betrouwbaars heeft opgeleverd. Eerst laat ik daarvoor de dichtbij meting zonder en met bafflestep simulatie zien, respectievelijk de donkerblauwe en lichterblauwe lijn. Dit ziet er veelbelovend uit, zowel qua amplitude als fase.



Om te kijken hoe goed dit vanaf 300 Hz overeenkomt met de meting op 1 meter afstand, heb ik deze erbij gezet (rode lijn) en met het niveau gespeeld zodanig dat de grafieken samenvallen bij 300 Hz. De bafflestep simulatie is naar mijn mening zeer geslaagd!



Nu hoeft alleen nog maar in AudioCAD het juiste niveau ingesteld te worden en de resulterende respons ge-exporteerd. Dan knip en plak ik de gevonden uitvoer tot 300 Hz met behulp van een tekst editor bij de amplitude en fase files van de 1 meter afstand meting. Met andere woorden ik voeg de gegevens van de blauwe lijn beneden 300 Hz toe aan de rode lijn die pas begint bij 300 Hz. Nu heb ik een goede benadering van de respons van de woofer van 20 tot 20000 Hz, die je full range zou meten in een echte dode kamer. Met dit resultaat ga ik het filter ontwerpen.

Het hele verhaal moest ik natuurlijk ook voor de andere box uitvoeren. Hier zie je het uiteindelijke aan elkaar geplakte resultaat voor de woofer van de andere box. De twee woofertjes zijn redelijk aan elkaar gelijk, vergelijk rode lijn hierboven met blauwe lijn hieronder. Verschillen zal ik in het filter moeten compenseren, ik kan niet zoals de BBC de units selecteren . Let even niet op de niveauverschillen, niet belangrijk als ik maar zorg dat de onderlinge niveaus van woofer en tweeter niet veranderen met al die bewerkingen.



Jeroen

[jeroen_d]

Ik heb de meetdata in AudioCAD ingevoerd en het originele filter van de BBC erop losgelaten. Dat geeft al een respons die veel meer overeenkomt met de BBC grafiek dan wat ik gemeten heb met het filter dat de zelfbouwer erin had gezet. Deze drivers zitten inderdaad dicht bij de originele!

Hieronder de karakteristiek van het hele systeem. De impedantieschaal heb ik aangepast zodat je mooi kunt vergelijken met die van de originele LS3/5a, zie BBC Research Department Technical Report RD 1976/29.



Morgen de nieuwe filters na optimalisatie. Ik zie nu al dat het zo uitpakt dat de tweeter inderdaad in tegenfase moet staan. Door de diffractiepiek van de tweeter en ook in verband met de belastbaarheid moet de overnamefrequentie op minimaal 3000 Hz liggen. Precies rond die frequentie heeft de woofer door het opbreken een fase 'wiebel' en draait niet steil door zoals de fase dat wel doet beneden 3000 Hz en boven 4000 Hz (vanwege het feit dat ie zo ver naar achteren zit). De fase blijft met die wiebel als het ware 'hangen'. Omdat de tweeter ook niet steil draait met zijn fase op alle frequenties boven 3000 Hz is dat dus een mooi gebied voor de overnamefrequentie. En zoals ik nu in AudioCAD kan zien met het originele BBC filter, moet de tweeter dan juist in tegenfase worden aangesloten om te zorgen dat de akoestische output netjes bij elkaar optelt.



In de originele LS3/5a zit er een metalen korfje voor de tweeter, dat het hoog wat optilt. Dat heb ik niet dus ik heb het zobel netwerk weggehaald. Middels optimalisatie in AudioCAD heb ik de aanstuur condensator (C2) en de spoel (L3), zoals genoemd in het BBC technical report, gevonden. C2 en L3 werden door de BBC per tweeter bepaald om de specs te halen.

Hieronder het netwerkje voor de tweeter zoals hier door mij gebruikt.



Jeroen

P.S. de plaatjes zijn nu met AudioCAD gegenereerd. De voorgaande plaatjes voor de bafflestep simulatie had ik gemaakt met de Passive Crossover Designer van Jeff B., maar daar zit een 'bug' in waardoor sperfilters met fouten worden gesimuleerd.

[jeroen_d]

Hieronder de plaatjes van het geoptimaliseerde filter van één van de boxen. Het filter heeft nu in totaal 8 componenten, minder kan niet zonder het sperfilter weg te halen.







Het filter van de tweede box is iets anders. Daar zitten in het sperfilter een condensator van 10 μF in plaats van 15 μF en een spoel van 1.8 mH in plaats van 1.2 mH. De condensator voor de tweeter van 3.3 μF is daar 3 μF door twee exemplaren van 1.5 μF parallel te schakelen. De karakteristieken liggen daarmee enorm dicht bij elkaar, zowel in amplitude als fase.

Jeroen

[jeroen_d]

En, wat is de uitslag? Wel als je goed kijkt naar wat het originele BBC filter met deze drivers doet, dan zie je dat het gebied beneden 1000 Hz ongeveer 1 dB minder is. Mijn vrouw vond deze box onrustig klinken en nasaal. Ikzelf vond blikkerig. Ik denk dat het niet alleen kwam doordat het gebied beneden 1000 Hz wat minder luid gaat, maar ook doordat de woofer iets minder snel wordt gefilterd zodat het opbreken hoorbaar wordt (het scheelt ongeveer 5 dB bij 4500 Hz).

De box met mijn filter klinkt lekker, warmer en rijker, en vooral natuurlijker en echter. Maar ja, dat is ook geoptimaliseerd voor deze drivers, verder lijkt het nog heel erg op het originele filter.

Morgen ga ik ze netjes in elkaar knutselen en zal ik van de inbouw nog wat fotootjes posten om het project te beëindigen. Kunnen ze terug naar de eigenaar . De kwaliteit is verrassend voor een 25 jaar oud systeem en het blijft voor mij bijzonder. Tot ik deze luidspreker zo'n 17 jaar geleden voor het eerst hoorde, had ik nog nooit een strijkkwartet natuurlijk uit een hifi systeem horen komen. Aan de andere kant, als ik ze vergelijk met mijn eigen zelfbouwsysteem, is het geen vergelijk. Wat dat aangaat, ik vind dat mensen die anno 2005 nog nostalgisch zweren bij dit ouderwetse systeempje zichzelf voor de gek houden. Voor de eigenaar geldt dit overigens niet. Die weet dat het beter kan maar is tevreden met wat ie heeft. En een upgrade voor een paar tientjes aan filteronderdelen is natuurlijk nooit weg, zeker als ie met zijn oude oortjes nu wat meer hoog hoort dan eerst . In het oude filter, zie foto's pagina 1, was de tweeter maar liefst 4 dB gedempd met een 3.9 ohm weerstand, terwijl die toch al zo'n laag rendement heeft.

Hieronder de DLSA meting van het systeem als 'sanity check' dat AudioCAD goed heeft voorspeld en dat het filter doet wat ie moet doen.



Jeroen

[jeroen_d]

Hierbij zoals beloofd de plaatjes van de filter inbouw.

Eerst met het oude printje dat achter de tweeter zat twee plankjes dun triplex afgemeten.



Daarna de componenten met montagekit er op gelijmd. De spoelen zitten gemonteerd volgens deze aanbeveling die Duck Twacy een tijdje geleden heeft gepost.



Vervolgens de componenten aan elkaar gesoldeerd en bedrading aangebracht.



Dan achterop de baffle in de oude gaten geschroefd en de drivers aangesloten op het filter.



Bevestiging aan de draden van de terminals. Dichtschroeven en luisteren maar!



De LS3/5a klonen staan nu al de hele avond te spelen. We hebben heerlijk zitten genieten van het vioolconcert van Tchaikovsky door Maxim Vengerov, Teldec opname. Wat zijn deze kleine boxjes toch in staat om de juiste illusie neer te zetten. Je weet dat je met de bas voor de gek gehouden wordt, maar het symphonie orkest zetten ze groots neer. De stereo afbeelding is perfect. De vioolklank zeer natuurgetrouw. Ik neem mijn woorden van de vorige post enigszins terug. Ze hebben iets bijzonders waar heel veel boxen van tegenwoordig niet in slagen. Binnen de korste keren luister je niet meer naar de boxen maar zit je gewoon van de muziek te genieten!

Jeroen

[weidok]

Ze hebben iets bijzonders waar heel veel boxen van tegenwoordig niet in slagen. Binnen de korste keren luister je niet meer naar de boxen maar zit je gewoon van de muziek te genieten!

Jeroen

Dat is eigenlijk het belangrijkste gewoon genieten

Die KEF B 110 was z'n tijd eigenlijk ver vooruit

Je kan er zelfs een mini TL mee bouwen
reken maar dat dat werkt !!!

Denk dat ik er nog wel een paar op kan scharrelen
de 1003 ook nog weet niet in welke conditie ...

[jeroen_d]

Voor de eventuele lezer die wil weten wat dat sperfilter nu precies doet, even nog deze post. Zie eerst onderstaand plaatje.



De bovenste twee lijntjes in de grafiek geven de akoestische amplitude karakteristiek van de ongefilterde woofer en de elektrische respons van het filter op de luidsprekerklemmen.

De onderste lijn geeft het akoestische resultaat van de gefilterde woofer.

Je ziet dat het opnemen van het sperfilter in het tweede orde laagdoorlaatfilter niet alleen maar een dip tot gevolg heeft. De ontwerpers hebben 30 jaar geleden al ontdekt dat de combinatie van een spoel in serie met een sperfilter (spoel//condensator//weerstand), de eigenschap heeft na de dip meteen ook een piek te veroorzaken. Dit maakt dat eerst de bafflestep correctie plaatsvindt, waarna het scherpe wegvallen van de woofer in het middengebied (doen moderne goede woofers niet meer) opgevangen wordt door de bult die het filter elektrisch genereert. Het resultaat is een elektrische compensatie van akoestisch resonantiegedrag met als gevolg een vlakkere karakteristiek waaruit deze nare resonantie verdwenen is.

Jeroen

[Rudy]

"opgevangen wordt door de bult die het filter elektrisch genereert"

de unit bedoel je toch, niet, want het sperfilter doet op dat punt niets meer ?

Groetjes
Rudy

[jeroen_d]

Ik bedoel precies wat ik heb opgeschreven.