Frekvensavhengig induktans i høyttalerelementer

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Hei,

Vil bare komme med en liten informasjon vedrørende induktanser i dynamiske elementer.

Informasjonen kan være nyttig for de som bygger passive høyttalere selv, og som er avhengig av å vite verdien på induktansen i elementet.

Jeg har målt diverse høyttalerelementer oppigjennom. Siden et høyttalerelement er en elektrisk motor, vil ethvert høyttalerelement gi en tilbakekobling av strøm og spenning som varierer med frekvensen den tilføres.
Når vi måler induktans i spoler(passive komponenter), måles den ved å tilføre en sinustone ved en gitt frekvens. Gjerne 1kHz. I delefilterspoler vil dette fungere, og gi tålig forutsigbar induktans - uavhengig av frekvens den måles ved. Men et høyttalerelement gir variert elektromotoriske tilbakekobling ved forskjellige frekvenser. Dette vil gi et nokså uforutsigbart måleresultat, og som varierer kraftig ved forskjellige frekvenser. Det vil skape en del hodebry for de som konstruerer passive delefiltere - og ofte blir resultatet noe HELT annet enn det konstruktøren hadde regnet med.
Den målte induktansen kan variere fra flere H til noen uH på ett og samme element. Ved resonansfrekvensen vil den målte induktansen være størst, mens den minste verdien finnes ved måling høyt opp i frekvens, men er også avhengig av elementets mekaniske oppførsel ved de forskjellige frekvensene. En kraftig oppbrytning i membranen kan gi kraftigere eller svakere tilbakekobling enn ved frekvenser over og under oppbrytningen.

Et konkret eksempel på induktansmåling ved 1kHz og 10kHz har på et 15" basselement (PA1550) variert fra 1.5mH/1kHz og 0.65mH/10kHz.

En litt "nerdete" opplysning, men håper den kan være nyttig for selvbyggeren :)

Mvh.

Vidar
 

Sluket

The One and Lonely
Ble medlem
11.08.2006
Innlegg
41.380
Antall liker
49.478
Torget vurderinger
12
Ikke nerdete i det hele tatt, bare intrikat. Viktig for hvordan elementet oppfattes bl.a. med tanke på hurtighet, impulsresponse osv. Kan synes som flisespikking, og kanskje ikke helt av de enkleste tingene å få med seg for en DIY'er men er man ute etter optimalt resultat så er dette et element man bør forholde seg til.
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Hei Vidar!
Når man beregner filter til resonansfrekvensen, vet du om dette blir tatt hensyn til i de vanlige matematiske uttrykkene for filter? Det forteller vel muligens at i alle fall ikke bør gå ned til nærmeste spoleverdi, men opp om man ikke treffer verdien på en standard spole? Har du lagt merke til noen gjennomsnittelig verdi (økning) rundt resonansfrekvensen?

Sonny
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Sonny skrev:
Hei Vidar!
Når man beregner filter til resonansfrekvensen, vet du om dette blir tatt hensyn til i de vanlige matematiske uttrykkene for filter? Det forteller vel muligens at i alle fall ikke bør gå ned til nærmeste spoleverdi, men opp om man ikke treffer verdien på en standard spole? Har du lagt merke til noen gjennomsnittelig verdi (økning) rundt resonansfrekvensen?

Sonny
Det å f.eks legge en passiv deling ved resonansfrekvensen, medfører ikke noe mindre enn katastrofe. Helt uaktuallt, og vanligvis ikke regnet med i de "vanlige" matematiske uttrykkene for filter. Det går an å lage en impedanskorreksjon som retter ut impedansen ved resonans - dette er det også matematiske uttrykk for, men de tar til gjengjeld ikke hensyn til endring i induktansen.

Det går altså an å impedanskorrigere for stigende impedans etter resonansfrekvensen. Men impedanskorreksjon er ikke helt rett fram å beregne, siden induktansen i talespolen endres med frekvens - altså er det ikke bare impedansen som endres med frekvens. Hvis man har greid å impedanskorrigere 100%, vil en induktansmåling vise 0H/mH/uH - altså ingen induktans i det heletatt. Veien dit er imidlertid ikke helt ukomplisert, men vil teoretisk gi delefilteret og korreksjonskretsløp bedre arbeidsbetingelser.

Diskantfiltere er ofte enklere å håndtere siden det ofte legges inn et dempeledd med en seriemotstand først, og så en parallellmotstand med elementet. Dette glatter ut impedansen såpass mye, at resonanser og impedanser i selve elementet ikke lenger blir "sett" av filteret som ligger foran. Og filteret får lov å arbeide med en mer faselineær belastning.

En solid motstand parallellt med basselementet vil gjøre noe tilsvarende, men det gir lavere total impedans, og mer effekttap (Hvis det er et problem med dagens forsterkere), og gir fortsatt ikke 100% faselineær belastning for filteret, men gir riktig nok delefilteret og kompenseringsfiltere en mer matamatisk korrekt funksjon.

For å slippe å tenke på alle disse uforutsigbarhetene, velger stadig flere selvbyggere å bruke aktiv deling og kompensasjon. Men litt av "moroa" er jo å fikle, tenke, banne, rive seg i håret, og få til lyd "the hard way" ;D
 

Bx

Bransjeaktør
Ble medlem
04.08.2005
Innlegg
5.147
Antall liker
1.412
Et kanskje like vesentlig element er at resistansen gjerne øker med økende frekvens. I alle fall over resonansfrekvensen.
 

Bidland

Bransjeaktør
Ble medlem
14.06.2003
Innlegg
83
Antall liker
33
Hei Vidar,

Det stemmer jo at induktansen til en høyttaler har en forskjellig verdi, avhengig av hvilken frekvens den måles ved. Dette skyldes at en høyttaler sjeldent oppfører seg som en ideell spole.
Men er det egentlig noe problem?

I den grad man ønsker en impedansekorreksjon kan vel dette også justeres etter målinger av høyttaleren, og ikke etter en formel for korreksjon av en bestemt verdi for induktans?

Det finnes opptil flere versjoner av ekvivalentkretser som prøver å matche høyttalerens induktans bedre. Bl.a. en av Marshall Leach og en av Julian Wright, men jeg ser ikke den helt store nytten av dette med mindre man skal lage sin egen filtersimulasjonssoftware eller liknende.

Hvis man først skal problematisere rundt induktans ville jeg mye heller satt søkelyset på såkalt u-lineær induktans, dvs. induktans som varierer med utsving/spoleposisjon.

Hvis du måler induktansen først på vanlig måte, og deretter sammenlikner med en måling gjort med det bevegelige systemet låst fast i en posisjon hvor spolen er langt inne på polstykket, så vil du ofte finne stor variasjon. Dette kan være opphav til modulasjonsforvrengning.

Slike problemer med variasjon i induktans løses oftest med en kobberhylse/ring på polstykket.

mvh.

Bjørn M.
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Bidland skrev:
Hei Vidar,

Det stemmer jo at induktansen til en høyttaler har en forskjellig verdi, avhengig av hvilken frekvens den måles ved. Dette skyldes at en høyttaler sjeldent oppfører seg som en ideell spole.
Men er det egentlig noe problem?

I den grad man ønsker en impedansekorreksjon kan vel dette også justeres etter målinger av høyttaleren, og ikke etter en formel for korreksjon av en bestemt verdi for induktans?

Det finnes opptil flere versjoner av ekvivalentkretser som prøver å matche høyttalerens induktans bedre. Bl.a. en av Marshall Leach og en av Julian Wright, men jeg ser ikke den helt store nytten av dette med mindre man skal lage sin egen filtersimulasjonssoftware eller liknende.

Hvis man først skal problematisere rundt induktans ville jeg mye heller satt søkelyset på såkalt u-lineær induktans, dvs. induktans som varierer med utsving/spoleposisjon.

Hvis du måler induktansen først på vanlig måte, og deretter sammenlikner med en måling gjort med det bevegelige systemet låst fast i en posisjon hvor spolen er langt inne på polstykket, så vil du ofte finne stor variasjon. Dette kan være opphav til modulasjonsforvrengning.

Slike problemer med variasjon i induktans løses oftest med en kobberhylse/ring på polstykket.

mvh.

Bjørn M.
Dette med varierende induktans ift. utsving, er jeg klar over. Jeg har imidlertid erfart at det er problematisk å impedanskorrigere et element med kun få komponenter. Avvikene mellom teoretisk og praktisk resultat er så store at de ikke kan sammenlignes. Dette har for meg skapt hodebry med filterberegninger generellt - selv om jeg har kommet i mål til slutt. For selv om jeg måler et impedansforløp, og gjør tiltak etter målingene, skulle vi tro at resultatet er akseptabel flat impedans ved bruk av to komponenter - en kondensator og en motstand, men resultatet er noen ganger noe så inni granskauen annerledes enn forventningene. Og der en beregning viser at korreksjonskretsløpet skal bestå av 10uF og 4.7ohm, har endt med flere komponenter, og/eller helt andre verdier. Jeg forstår nå mye bedre hva Steen Åge Duelund en gang forklarte angående impedanskorreksjon, og problematikken rundt en ikke-lineær induktans som følge av frekvens - som i noen tilfeller er mye større enn avvikene som oppstår pga. utsvinget på membranen. På et testobjekt hos oss ble membranen mekanisk presset til sine ytterpunkter, men induktansen varierte ikke mer enn noen få prosent, mens den varierte med godt over 50% pga. frekvens. Der målinger viser en "grei skuring" ift. impedanskorreksjon, viser seg i praksis å ikke være så grei skuring likevel. Jeg kaller dette problematisk, men det lar seg løse.

Vidar
 

Snickers-is

Bransjeaktør
Ble medlem
05.02.2004
Innlegg
12.084
Antall liker
4.355
Bx skrev:
Et kanskje like vesentlig element er at resistansen gjerne øker med økende frekvens. I alle fall over resonansfrekvensen.
Det er formelt sett litt feil. Resistansen er alltid uavhengig av frekvens pr definisjon. Alt som avviker fra dette er reaktive komponenter. Dette kan også synes som flisespikkeri, men det er viktig fordi reaktive komponenter påvirker hverandre, og fordi reaktive komponenter påvirker oppførselen i tidsdomenet også når de står alene.

Et par andre faktorer som kommer inn her, og som kan påvirke impedansen, er resonansfrekvenser som endrer seg med utsving (og påvirker korreksjonskretsen i filteret vesentlig), endring av nullposisjon ved signalpådrag, endring av resistiv komponent ved høy temperatur, avvik i impedansen som følge av mekaniske resonanser (andre enn den fundamentale) og avvik som følge av AC-komponenter i magnetsystemet.

Det er rett ut sagt påfallende hvor j***ig dette ser ut i høyttalersammenheng og hvor mye energi vi allikevel bruker på å oppnå til sammenlikning forsvinnende lite på signalsiden.
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Vidar - resonansfrekvens. Jeg leser Martin J. King om dagen og når du nevnte resonansfrekvens koplet jeg ikke det til elementets resonansfrekvens, men til baffle resonans som er der jeg er nå. Dermed så ble noe av det jeg spurte om helt feil.

Er det slik å forstå at dere ikke anbefaler impedanse korreksjon av et bass/mellomtone element?

Sonny
 

Bx

Bransjeaktør
Ble medlem
04.08.2005
Innlegg
5.147
Antall liker
1.412
Snickers-is skrev:
Bx skrev:
Et kanskje like vesentlig element er at resistansen gjerne øker med økende frekvens. I alle fall over resonansfrekvensen.
Det er formelt sett litt feil. Resistansen er alltid uavhengig av frekvens pr definisjon. Alt som avviker fra dette er reaktive komponenter.
Den definisjonen vil jeg gjerne se, Snickers.

Inntil videre så forholder jeg meg til følgende: Det som skiller resistive komponenter fra reaktive komponenter er ikke hvorvidt de er frekvensuavhengige eller ei. Det er hvorvidt de lagrer elektrisk energi eller omdanner det til varme.

Høyttalerimpedansen har en frekvensavhengig komponent som ikke er reaktiv men som produserer varme. Dette kommer i tillegg til den vanlige DC resistance og kalles AC resistance.

Se f.eks. denne diskusjonen: http://music-electronics-forum.com/t650/
Og her: http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistance_and_conductance
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Sonny skrev:
Vidar - resonansfrekvens. Jeg leser Martin J. King om dagen og når du nevnte resonansfrekvens koplet jeg ikke det til elementets resonansfrekvens, men til baffle resonans som er der jeg er nå. Dermed så ble noe av det jeg spurte om helt feil.

Er det slik å forstå at dere ikke anbefaler impedanse korreksjon av et bass/mellomtone element?

Sonny
Du tenker på baffelstepkorreksjon? Vel, enkelt forklart så tilføres en feil/endring i frekvensresponsen når du monterer et element i en baffel som har begrenset utstrekning. Resultatet er da at frekvensresponsen faller under den frekvensen som baffelen tillater å "bære" lydbølgene. De dypeste tonene får da en 4PI spredning, mens de øvrige tonene får en 2PI spredning (Veldig generellt forklart). Baffelsteppen intrer gradvis, og er ikke noe som skjer plutselig fra 329.4 til Hz 329.3Hz.
Jeg har vel mildt sagt hørt manglende baffelstepkorreksjon spesiellt godt i en rekke fulltonekonstruksjoner, der konstruktøren ofte sverger til filterløse konstruksjoner. Det ender da opp med en skrikende (men følsom) konstruksjon som ofte har mangel av fundament i bassen. Konstruktørene kaller gjerne høyttaleren for "svært dynamisk og detaljert", men som samtidig kan knuse glass, og få ørene til å blø.
2.5 veis konstruksjoner bøter i grunn godt på dette problemet ved å la det ene basselementet begrenses opp til baffelstepfrekvensen, og la det andre basselementet (som også spiller bass), spille opp til delefrekvensen til diskanten.

Hvordan baffelstepresponsen utarter seg er ikke bare avhengig av baffelens utstrekning, men også hvor på baffelen du ønsker å plassere elementet, og hvordan baffelen er utformet.

Vidar
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Bx skrev:
Snickers-is skrev:
Bx skrev:
Et kanskje like vesentlig element er at resistansen gjerne øker med økende frekvens. I alle fall over resonansfrekvensen.
Det er formelt sett litt feil. Resistansen er alltid uavhengig av frekvens pr definisjon. Alt som avviker fra dette er reaktive komponenter.
Den definisjonen vil jeg gjerne se, Snickers.

Inntil videre så forholder jeg meg til følgende: Det som skiller resistive komponenter fra reaktive komponenter er ikke hvorvidt de er frekvensuavhengige eller ei. Det er hvorvidt de lagrer elektrisk energi eller omdanner det til varme.

Høyttalerimpedansen har en frekvensavhengig komponent som ikke er reaktiv men som produserer varme. Dette kommer i tillegg til den vanlige DC resistance og kalles AC resistance.

Se f.eks. denne diskusjonen: http://music-electronics-forum.com/t650/
Og her: http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistance_and_conductance
Du skal vel opp i betydelig høye frekvenser før skineffekten påvirker resistansen betydelig i en så tynn tråd - som ofte en talespole er laget av?
Skineffekten er mindre betydningsfull for tynne ledere har jeg lest. F.eks i en spoletråd som er 0.2mm i diameter må opp i ca 100khz før skineffekten får betydning (Hvis jeg har forstått "skin depth" riktig). For ledere med stort tverrsnitt, og som skal lede høye frekvenser godt, består gjerne av lissetråd, men en haug enkeltisolerte ledere som er "buntet" sammen (Brukes i SMPS trafoer bl.a.)

Jeg gjorde en test til med induktansmålinger. Induktansen endres også hvis jeg øker membranmassen... Forskjellene er størst ved 1kHz måling. Ser også på impedansforløpet at det er tilfeldigvis en liten pukkel rundt 1kHz når ekstra vekt er lagt til. I dette konkrete tilfellet målte jeg 0.8mH uten ekstra vekt, og 1.1mH med ekstra vekt. Elementet er målt stående med membranen vertikalt for ikke å endre spolens posisjon.

Siden vekten ikke er sentrert ser det ut til at pukkelen ved 1kHz skyldes refleksjoner i membranen som gir økt impedans akkurat der, og annen elektromotorisk tilbakekobling.

Vidar
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Hei Vidar!
Bafflekorreksjon har jeg ingen problemer med å forstå.
Jeg ble litt usikker på din mening i nytten/verdien av impedansekorreksjon på et HT-element?

Sonny
 

Bx

Bransjeaktør
Ble medlem
04.08.2005
Innlegg
5.147
Antall liker
1.412
Low-Q skrev:
Du skal vel opp i betydelig høye frekvenser før skineffekten påvirker resistansen betydelig i en så tynn tråd - som ofte en talespole er laget av?
Jeg har ikke finstudert temaet, men skineffekt er ikke det som dominerer i et høyttalerelement. Man har en spole som beveger seg i forhold til en magnet. Endring i magnetfeltet hertil gir mye mer eddy current enn det som skyldes skineffekt.

Jeg er ganske sikker på at Rac ofte vil ha en betydelig størrelse - dvs noen ti-talls prosenter av den totale impedansen frekvensavhengige impedansen.
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Sonny skrev:
Hei Vidar!
Bafflekorreksjon har jeg ingen problemer med å forstå.
Jeg ble litt usikker på din mening i nytten/verdien av impedansekorreksjon på et HT-element?

Sonny
Det er kanskje nettopp det å få til baffelstepkorreksjon som er problemet siden impedans og induktans ikke er lineær. En baffelstepkorreksjon foran en belastning som stiger i impedans og synker i induktans jo høyere frekvensen er, vil resultere i at du kompenserer for baffelen et lite stykke opp i frekvens, men så øker lydtrykket igjen siden impedansen i elementet øker og gir en annen spenningsdeling.

En impedanskorreksjon bør dermed bestå av en krets som endrer kapasitansen med frekvensen - proporsjonalt med endret induktans. Først da har man en brukbar belastning for baffelstepfilteret, og som da fungerer etter hensikten.

Vidar
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Nå har jeg testet mer på impedanskorreksjon - og kommet i mål med dette på W4-1337 i 3 liters bassreflekskasse i alle fall...

22 Ohm i serie med 2.7uF. Dette parallellkobles med elementet - LANGT unna de teoretiske verdiene.
Impedansmålingen viser 8 ohm +/- 0.4 Ohm fra 400Hz til 20kHz. Det er akseptabelt. Men rett under der finner vi resonansfrekvensen til elementet i 3 liters kasse - 144Hz.

Skal teste flere elementer i samme kasse.

Vidar
 

Kvålsvoll

Bransjeaktør
Ble medlem
22.07.2010
Innlegg
1.599
Antall liker
1.675
Sted
Ålesund, Norge
Low-Q skrev:
Det å f.eks legge en passiv deling ved resonansfrekvensen, medfører ikke noe mindre enn katastrofe.
Det går veldig bra.

Elementets akustiske avrulling og den elektriske impedansen inngår i filteret, og det hele blir nokså trasig å beregne.
Men det er forholdsvis lett å simulere.

Nyttig hvis en skal ha forholdsvis lav delefrekvens i forhold til kabinettresonansen.

Ellers så er ikke ulineariteter som funksjon av frekvens så håpløse å ha med å gjøre, det betyr bare at en ikke kan bruke kalkulatorsvar for komponentverdier overalt - må gjerne prøve seg fram, teste og juster til det blir bra nok.
Verre er det når ting endrer seg som funksjon av pådrag.
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Hei Vidar!
Jeg har regnet på en SEAS W15LY001. Frekvens baffle korreksjon 579Hz med baffle 200 x 309mm. Alle formler fra Martin J King.
Bafflekorreksjon (6db teoretisk verdi), 8 ohm og spole 2,2mH. Impedanse korreksjon koplet som du beskriver motstand 7,1 ohm og 5,9uF kondensator.
Simulert i Basta og Edge økte frekvensen mellom 450Hz og 700Hz. 579Hz er regnet ut matematisk.

Sonny
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Sonny skrev:
Hei Vidar!
Jeg har regnet på en SEAS W15LY001. Frekvens baffle korreksjon 579Hz med baffle 200 x 309mm. Alle formler fra Martin J King.
Bafflekorreksjon (6db teoretisk verdi), 8 ohm og spole 2,2mH. Impedanse korreksjon koplet som du beskriver motstand 7,1 ohm og 5,9uF kondensator.
Simulert i Basta og Edge økte frekvensen mellom 450Hz og 700Hz. 579Hz er regnet ut matematisk.

Sonny
Da er det bare å finne fram en SEAS W15LY001 fra roteskuffen, og teste i praksis :)
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Hei Vidar!
Jeg har konstruert en kasse til WLY15 etter SEAS sine anbefalinger av volum og bassreflekstuning. Jeg har tenkt å lage en tråd av byggeprosessen, men siden jeg er litt "treig" hadde jeg tenkt å komme litt på forskudd byggemessig og dokumentere med bilder.

Kassen er tegnet i AutoCad, dersom du ønsker det kan jeg sende deg en e-post med en pdf fil av konstruksjonen. For mange DIY'ere er det å skjære materialer på langs et problem å få nøyaktig nok, derfor har jeg benyttet materialer og tegnet slik at at ingen kutt på langs er nødvendig.

Jeg har igjen å tegne filterne, men både AutoCad 2010 og 2011 klikket på hjemmemaskinen så jeg har nå installert 2012 versjonen som synes mer stabil.

Sonny
 

Vidar Øierås

Hi-Fi freak
Ble medlem
19.01.2003
Innlegg
3.200
Antall liker
337
Send meg tegninger du. Blir moro å se :) vo-ætt-dynabel-dått-enno...
 

Sonny

Overivrig entusiast
Ble medlem
10.09.2010
Innlegg
654
Antall liker
2
Torget vurderinger
2
Ritning kommer. Det er bare å skrive Vidar i Outlook så er du der veit du. ;D

Sonny
 

Snickers-is

Bransjeaktør
Ble medlem
05.02.2004
Innlegg
12.084
Antall liker
4.355
Bx

Vi beveger oss ikke i nærheten av slike ekstremeffkter i høyttalere. De dukker opp ved enten svært høye frekvenser eller ved veldig store effekter (elkraft). Alle kjente faktorer i høyttalerelementer kan simmuleres med LCR-ekvivalenter, inklusive eddy current.
 
Topp Bunn