HIFI4ALL.DK | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Lyd & Højttalerbyg - 7. del Arne Rodahl [10.06.2008] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7. del MÅLING
Kan man bygge højttalere udelukkende baseret på lytning? …eller kan man bygge højttalere udelukkende baseret på computersimuleringer og målinger? Nej, - det ene udelukker ikke det andet! Ergo bygning af højttalere er en kombination af beregninger, målinger og lytning. Man kommer således ikke udenom et indkig i måleriets verden, selv her på begynderstadiet, men man må gå lidt på listepoter i starten, når det handler om alle måleteknikkens krinkel-kroge. Erfaringen fortæller, at det for nogen kan virke temmelig overvældende med så megen drilsk teknik og ikke mindst udsigten til investering i en eller anden form for måleudstyr, der jo har ry for ikke at være helt billigt. Man kan dog starte forsigtigt, uden de helt store investeringer, f.eks. med et enkelt måleområde, der omhandler højttalerens frekvensrespons. Processen kan udføres relativ enkel med en såkaldt Spectrum Analyzer, der er i stand til at yde et rimeligt resultat med en vis margen til det perfekte og samtidig give en forsmag på måleteknikkens virke og funktion. Husk at måling kun er et stykke værktøj, der kan benyttes som et stormasket analysesystem af et lydbillede, hvorimod den menneskelige hørelse har et langt mere finmasket analysesystem og derfor er i stand til at opfatte fine nuancer og detaljer, som stort set er umålelige. Ergo måling vil sandsynligvis aldrig kunne erstatte et ”veltrænet øre” i udviklingsprocessen. Det ”at måle” kan gå hen at blive nærmest en religion og i ekstreme tilfælde udvikle sig til en form for fanatisme, hvor teknikken overskygger alt andet. Her må der prioriteres! - Bygger man højttalere, hvor målingen er det vigtigste eller bygger man højttalere, hvor ørets vurdering er det vigtigste? Find balancen! Målesystemerne: Spectrum Analyzere (RTA og FFT)
FFT (Fast Fourier Transformation), navngivet efter Fourier, fransk matematiker og fysiker. FFT fungerer som RTA, men måleresultaterne transformeres og kan i stedet for søjler vises som kurver på computerskærmen svarende til et oscilloscope. Almindeligvis opfattes et lydsignal i et tidsdomæne, som henholdsvis amplitude og tid, men kan tillige karakteriseres ved dets frekvens. Når et signal skal analyseres kan det derfor være nyttigt at kende den frekvens, der udgør signalet. Denne viden får vi fra at arbejde med signaler i tidsdomænet over til at arbejde med signaler i frekvensdomænet. Og det er netop hvad Fourier transformation gør. MLS (Maximum Length Sequence), målesignal bestående af korte impulser indeholdende White Noise eller Pink Noise, der sendes til højttaleren via en måleforstærker. I modsætning til det anvendte kontinuerlige målesignal i Spectrum Analyzere er det anvendte målesignal og målingen heraf i MLS systemet af meget kort varighed, hvilket betyder at de reflekterende signaler fra målerummet, grundet lydbølgers lave hastighed, først når målemikrofonen efter målingen af det direkte signal er afsluttet og registreret. Måleresultatet vil derfor ikke i nævneværdig grad påvirkes af den omgivne akustik.
Det må understreges, at systemets målepræcision beror på størrelsen af unøjagtigheder i computerens lydkort, måleforstærker, mikrofon og ikke mindst bidrag fra målerummet akustiske konditioner.
Måleresultater med Real Time Analyzer og Pink Noise vises på skærmen som søjler, der valgfrit kan indstilles til en opløsning fra 1 til 1/48 oktav. NB! RT-Capture gratisprogam muliggør print, men ikke at gemme i computerens hukommelse. SynRTA gratisprogram kan både printe og gemme.
White Noise har konstant energimængde pr. Hz, - eksempelvis er der lige stor energimængde mellem 20 Hz og 21 Hz som mellem 2000 Hz og 2001 Hz. Frekvenskurven for White Noise er lineær. Energifordeling: 1. Oktav : 20 – 40 Hz (20) *)En oktav er pr. definition en fordobling af frekvensen. Idet man i Spectrum Analyzere (RTA) anvender oktavinddelte måleintervaller, vil behovet for en fuldstændig ensartet energifordeling af målesignalet pr. oktav opstå. Med White Noise som udgangspunkt ses en stor ubalance i energifordelingen jf. skema. Ved at sænke energimængden med 3 dB pr. oktav ved stigende frekvens opnås præcis den samme energifordeling i alle oktaver, metoden betegnes Pink Noise. Frekvenskurven for Pink Noise er faldende med stigende frekvens.
Til de mere krævende, herunder professionelle målinger anvendes hovedsaglig MLS-systemet, der udover program og målemikrofon, forudsætter brug af speciel hardware, der tilsluttes computeren via et ”Fire Wire” interface eller via en hurtig USB port. Skønnet prisniveau: fra ca. 7.000 til 20.000 kroner. Nedenstående oversigt viser de mest anvendte måleområder:
Nærfeltsmålinger (Near field). Målemikrofon placeres ca. 1 cm fra måleobjekt, f.eks. bashøjttaler, diskanthøjttaler eller portmunding. Fordelene ved nærfeltsmålinger er, at rummet ikke påvirker måleresultatet. Måleresultaterne anvendes til separat vurdering af de enkelte enheders frekvensforløb, resonanser, membranopbrud og roll off ved delefrekvenser som følge af f.eks. filterfunktion samt refleksportens afstemningsfrekvens og output.
Fjernfeltsmålinger (Far field). Her begynder det at blive lidt mere kompliceret, idet rummet, som tidligere nævnt, påvirker målingerne i mere elle mindre grad, - især ved lave frekvenser. Udgangspunktet for fjernfeltsmålinger er den såkaldte Time-Window beregning, der ses på nedenstående skitse. Formålet med denne beregning er at kende den ønskede målings startfrekvens, idet frekvenser der måles herunder ikke udelukkende kan henføres til selve højttaleren. Er man ikke i besiddelse af et beregningsprogram for Time-Window, kan det viste eksempel anvendes. Fjernfeltsmålinger anvendes bl.a. til vurdering af en højttalers totale frekvensrespons i frekvensområdet over 200 – 300 Hz.
Eksempel: Jo længere refleksionsafstand (D 2), des lavere måle-start-frekvens. Gulvniveau måling (Ground plane). Måling af en højttaler placeret på gulvniveau kan stort set sammenlignes med måling i et lyddødt rum (anechoic chamber), men idet målemikrofonen opfanger både det direkte og det reflekterede signal fra gulvet er lydtrykket øget med 6 dB. For at kompensere for denne lydtryksforøgelse placeres målemikrofon i en afstand på 2 meter, således at niveauet svarer til det lyddøde rums målinger.
Spredningsfelt målinger (Polar-plot). Samme måleopstilling af frekvensrespons som i fjernfeltsmålinger, men måling i valgte spredningsvinkler f.eks. 30 og 60 grader.
Måledisciplin Målemikrofonen Måleforstærkeren Eksempel - forstærker til indbygning:
Computeren har over en årrække udviklet sig til et nyttigt stykke værktøj i forbindelse med højttalerkonstruktion, hvilket vi netop har erfaret her i artikelseriens 7. del, hvor der er gennemgået forskellige måleprincipper. Tidligere i artikelseriens 3. del og 5. del refereredes der til adskillige beregningsprogrammer med simuleringer for kabinet- og filter-konstruktioner. Vi vil i det følgende gå lidt mere i dybden, hvad angår disse programmer, der enten kan downloades gratis eller købes i udgaver med et større udvalg af beregningsmuligheder, simuleringer, grafik m.m. Programmerne stiller ikke specielle krav til computeren. Enkelte programmer findes tillige som gratis demoversioner med en eller anden form for begrænsning. Her får man muligheden til at prøve om programmet opfylder ens behov. Ikke overraskende er købeprogrammerne de bedst fungerende med hensyn til muligheder, hvorimod beregningsnøjagtigheden tilsyneladende er i orden uanset hvilket program man vælger. Programmerne: Computerberegninger af kabinetkonstruktioner: Kabinetprincipper beskrevet i artikelseriens 3. del.
Her ud over har enkelte programmer også beregninger, om end i et beskedent omfang, af horn- og transmissionsliniekonstruktioner. Beregningerne gælder for bashøjttalere med tilgængelige Thiele / Small parametre dvs.: Resonansfrekvens (fs), godhed (Qt) og ækvivalentvolumen (Vas). Alle tre parametre indsættes i programmet, hvorefter computeren beregner kabinetrumfanget i liter samt portdimensioner, evt. suppleret med grafisk fremstilling af simulerede frekvensforløb, diffraktionstab m.m. NB: Mellemtone- og diskanthøjttalere kræver ikke kabinetberegninger. Efterhånden som konstruktionsarbejdet skrider frem opstår der hurtigt et yderligere behov for beregningsmuligheder samt grafik med simulerede frekvenskurver m.m. og her kommer man nok til at ty til de mere omfattende programmer, der både findes som gratisprogrammer og købeprogrammer, f.eks. www.lsp-lab.com (findes i en demoversion med 30 dages gratis prøvetid). Se i øvrigt henvisninger til et udvalg af webadresser bagest i artikelseriens 3. del, og endnu flere kan sikkert findes med lidt søgen på internettet. Sammenligning af beregningsprogrammer til kabinetkonstruktioner:
Computerberegninger af delefiltre: Delefiltrenes teoretiske funktioner er beskrevet i artikelseriens 5. del. Husk! - For opnåelse af optimale beregninger af delefiltre bør målinger af enhedernes impedans foretages med pågældende enheder monteret i det planlagte og færdige kabinet. Den udmålte impedansværdi indsættes i filterberegningen. Er man ikke i besiddelse af det nødvendige måleudstyr, kan filterberegningerne dog foretages uden impedansmålinger i kabinettet, i stedet kan man anvende fabriksoplysningerne for de pågældende enheder. Beregningsresultatet må herefter forventes at blive med en større unøjagtighed. Programmernes beregninger, evt. suppleret med grafik med simulerede lydtryk, impedans og fase, er udelukkende tænkt som et udgangspunkt i konstruktionsarbejdet, - ergo må der påregnes yderligere justeringer af filtre evt. suppleret med lytning, nye beregninger og målinger. Filterberegningen starter med at indsætte de forud valgte parametre i programmet:
Herefter foretages valg af øvrige parametre*:
Resultatvisning:
Sortiment af ovennævnte punkter varierer fra program til program. Nogle programmer (blå skrift) omfatter således kun de absolut nødvendige beregningsområder, hvis anvendelse gør de beregnede resultater væsentlig mindre præcise. De mere omfattende programmer kan som regel tilbyd hele sortimentet. *) Øvrige parametre: Filtrets ”orden”
I det følgende ser vi lidt på nogle af de oftest forekommende filtertyper, dog uden at gå i dybden. For de mere videbegærlige henvises til speciallitteratur. Fagsproget:
Filtertyperne:
Filtrenes karakteristik omkring knækfrekvensen bestemmes af dets ”godhed” betegnet Q-værdien. Eksempelvis har et 2. ordens Butterworth en Q-værdi på 0,71, hvilket bl.a. har at gøre med filtrets flankestejlhed, fasekarakteristik og dermed også filtrets egenskaber relateret til højttalerenhedernes egenskaber. Til Butterworth filtrets plussider hører maksimal flad amplitude og store flanke-stejleheder. Og til dets minussider hører ripple (ringning), stigende med filtrets orden ved gennemløb af signaler bestående af kortvarige impulser, - eksempelvis musik.
Faseforvrængning i højere ordens filtre, f.eks. Butterworth, medfører en uheldig påvirkning af disse højttaleres udstrålingskarakteristik. Udstrålingskarakteristikker for tovejshøjttalere med en delefrekvens på 2000 Hz:
Sum summarum Linkwitz-Riley filtre er velegnede til hi-fi gengivelse, hvor specielt 4. ordensfiltret ofte ses anvendt i high-end systemer.
Det næste vi kan bruge computeren til er beregning af tre typer korrektionskredsløb: Dæmpeled (L-pad) til mellemtone og diskant, Impedans korrektion (Zobel) samt notch filter (LCR sugekreds). En del filterprogrammer indeholder typisk beregninger af de to første kredsløb, hvorimod Computeren kan også gøre sig nyttig med andet end måling og beregning i forbindelse med højttalerbyg, f.eks. nedenstående eksempler og flere kan sikkert tilføjes: Tegneprogrammer til kabinetter: AutoCAD og Solid Works (for de øvede) - eller Google gratis program: http://sketchup.google.com
Find balancen!
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Udskriften er kun til privat brug - anden brug kræver skriftlige aftale med HIFI4ALL.DK! Copyright © HIFI4ALL.DK- Alle rettigheder forbeholdes. |