Basisgids voor luidsprekerbehuizingen

De behuizing is instrumentaal voor het functioneren van elke speaker. Ik heb deze blog geschreven om de basis behuizingstypes en wat zij doen uit te leggen, het goede, kwade en soms lelijke. Op een manier die toegankelijk is, maar ook genoeg diepgang geeft om een keuze te maken als je wilt beginnen met je speakerProject. Het blog geeft inzicht in de voor- en nadelen van deze ontwerpen. Om het kort en bondig te houden zijn er een aantal varianten en onderwerpen weggelaten. Deze vragen om hun eigen blog in de toekomst. Ook probeert deze blog weg te blijven van subjectieve observaties van de verschillende behuizingen, al is dit moeilijk als men praat over Hi-Fi. De volgende behuizingtype en onderwerpen worden behandeld;

• Waarom is een behuizing nodig?
• “open baffle” speakerbehuizing
• Gesloten speakerbehuizing
• Gepoorte/basreflex speakerbehuizing
• Transmissielijn speakerbehuizing

Waarom is een behuizing nodig?

Waarom heb je überhaupt een behuizing nodig? Nou, wanneer een luidspreker een elektrisch signaal omvormt naar mechanische pistonische actie wordt er druk opgebouwd voor de  conus. Dit creëert een drukgolf (ook wel condensatiedruk genoemd). Tegelijkertijd veroorzaakt dit het tegenovergestelde effect aan de andere kant van de conus. Dit leidt tot een gedeeltelijk vacuüm. En vice versa wanneer de conus de ander kant op beweegt, afhankelijk van het elektrische signaal. Deze actie wordt oscillatie genoemd.

Newtons Derde wet : “Voor elke actie, is er een gelijke tegen reactie”

De makkelijkste manier om dit te visualiseren is om de drukgolf te zien als +1 en het gedeeltelijke vacuüm als -1. Wanneer je deze bij elkaar optelt eindig je met nul. Het heft het elkaar op, in geluidsterminologie “cancelt” het elkaar. (Opmerking: Dit is een basale uitleg die geen rekening houdt met factoren zoals directionaliteit etc.). Dit is geen wenselijk effect. Om een speaker een werkbaar frequentiebereik te geven, moet dit effect gemitigeerd worden zoals in een “open baffle”, gecontroleerd zoals in een basreflex en transmissielijn of geabsorbeerd zoals in een gesloten behuizing.

“Open baffle” speaker behuizing

De ideale situatie voor een luidspreker zou een eindeloze baffle of shot zijn. Waar de drukgolf en het gedeeltelijke vacuüm elkaar nooit tegenkomen. Daarnaast zou dit dienen als oneindig stralingsoppervlak. Dit zorgt ervoor dat de speaker kan functioneren zonder negatieve effecten die een behuizing kan hebben zoals diffractie, “Baffle step loss” en behuizingresonanties. Helaas is dit geen praktisch concept dus is er een compromis gemaakt, de eindige of open baffle speaker.

Deze behuizing mitigeert de opheffingseffecten en creëert een achtvormig afstralingspatroon.  De geluidsgolven stralen af van de voor- en achterkant, maar heffen elkaar op aan de zijkanten van de baffle. Afhankelijk van de grote van de baffle is er een frequentie waar de golflengte zo lang is dat deze de baffle niet “ziet” en zich alsnog volledig opheft. Dit noemen wij de kantelfrequentie. Om deze afloop in response geleidelijk te laten lopen kan de driver uit het midden bevestigd worden.

Gesloten speakerbehuizing.

Dit is een variant van het oneindige baffle concept. Waar het gedeeltelijk vacuüm gescheiden wordt van de drukgolf door de tegenreactie van de luidspreker te absorberen in een gesloten behuizing. Al presenteert het geen oneindig stralingsoppervlakte voor de luidspreker.

De lucht in de gesloten behuizing dient als een veer voor de woofer. Dit heeft het voordeel dat het de conus assisteert met het terugkeren naar zijn oorspronkelijke positie. Afhankelijk van het volume van lucht kan dit effect meer of minder zijn. Dit leidt tot een positief effect op de reactie van de speaker in het tijdsdomein. De prestaties  zijn wel afhankelijk van het gebruik van een geschikte driver. Gelukkig heeft dr. Richard Small hiervoor een richtlijn opgesteld. Dit wordt de EBP-formule of terwijl de “efficiëntie bandbreedte product”.

Wanneer het resultaat hiervan gelijk aan of lager is dan 50 is de speaker geschikt voor een gesloten behuizing. Dit is bij lange na geen vaste regel. De meeste moderne drivers hebben een hogere EBP dan 50. Dit komt voornamelijk door de populariteit van basreflex behuizingen. Waarbij een hogere EBP de voorkeur heeft. Een voorbeeld van een geschikte driver voor een gesloten behuizing is bijvoorbeeld de GRS 10PF-8. Deze speaker heeft een Fs van 43 Hz en een Qes 1.66

"getimede response van een gesloten behuizing"

Reflex enclosure speaker enclosure

Deze behuizingen gebruiken een afgestemde poort of sleuf om bas-extensie te genereren rond de driver zijn resonantiepunt(Fs). Dit is één van de meest gebruikte behuizingen. De basreflexbehuizing wordt ook wel een gepoorte behuizing genoemd.

Het functioneren van een poort is zeer interessant. De algemene misvatting is dat deze behuizing lucht pompt om meer bas te creëren. Maar feitelijk heeft de lucht in de poort een bepaalde massa die gaat resoneren bij de frequentie waarop deze wordt afgestemd. Het is gebruikelijk om hier de driver zijn Fs-punt voor te gebruiken. Op het resonantiepunt gedraagt de poort zich als een driver en gaat deze output generen. Dit wordt ook wel een Helmholtzresonator genoemd. Deze output is heel specifiek en wordt alleen gegenereerd rond de afstemmingsfrequentie. Dit resonantieeffect dempt ook de beweging van de conus rond de afstemfrequentie tot een punt waarbij de conus amper beweegt. Dit is te zien in de impedantie curve die een zeer typerende dubbele heuvel vertoond. Er kan ook voor gekozen worden voor een hogere afstemfrequentie. Dit wordt vaak gebruikt om de basfrequenties te accenturen om een “boom-box” effect te creëren.

1.1: Typische respons van een bas reflex behuizing. Dit voorbeeld komt voort uit de SEAS Bifrost kit gebaseerd op de SEAS Excel W18NX001. De zwarte lijn geeft de totale respons weer. De blauw gestippelde lijn de output van de driver. En de rood gestippelde lijn die van de poort		1.2: Dit is een “spectral decay plot” die laat de effecten zien van een bas reflex in het tijds domein. Dit wordt ook wel de “time penalty” genoemd. De resonantie in de poort stop niet meteen en heeft tijd nodig om te stoppen. Dit smeert de bas respons uit in het tijdsdomein.

Transmissielijnbehuizing

Deze behuizing wordt ook wel een akoestisch labyrint genoemd en maakt gebruik van een gedempte pijp die de lengte heeft van een kwart van de golflengte waarop de behuizing is afgestemd. (opmerking; er wordt een algemene en praktische definitie van een transmissie lijn gebruikt in deze blog)

De theorie hierachter impliceert een oneindige pijp die de correcte weerstand biedt voor de driver bij elke frequentie. Helaas is oneindigheid geen praktisch ontwerp criterium. Er zijn ook andere implantaties zoals een gesloten transmissielijn.

In deze implementatie wordt de output van achterkant van de driver door de lijn geleid. Dit heeft als effect dat deze output vertraagd wordt. Dit verschuift de fase van deze output met 90° op de afstemfrequentie. Waardoor de output van de achterkant van de driver weer in fase komt met de output van de voorkant van de driver. Dus dit versterkt elkaar in plaats dat het elkaar opheft. De lengte van een dergelijke pijp kan makkelijk worden uitgerekend met de volgende formule:

F =  De afstemmingsfrequentie, veelal de Fs-frequentie van de driver. 344 = De snelheid van geluid in meters per seconde. In droge lucht bij 20 graden op zeenivea   ƛ =  lengte van de lijn in meters

Dit is een basis berekening. De demping van de lijn kan ook invloed hebben op de snelheid van het geluid binnen de pijp. Dit kan theoretisch de snelheid van het geluid vertragen met 50%, maar 35% is realistischer in de praktijk. Bij een gemiddeld gedempte lijn dit zorgt ervoor dat de lijn korter kan zijn. Een transmissielijn zorgt ook voor specifieke eisen voor de luidspreker.  Je hebt geen hoge Q-factor nodig De resonantiefrequentie wordt lager, omdat de massa van de luchtkolom bijdraagt aan de bewegende massa.  De driver heeft wel een rigide conus nodig omdat deze de kolom van lucht moet beheersen. Gezien de relatief zware massa hiervan kan de conus vervormen en hierdoor vervorming van het signaal veroorzaken.  En goed voorbeeld van een driver die geschikt is voor een transmissielijnspeaker is de SEAS Prestige L16RNX - H1488-04.

Hopelijk heeft deze blog je een beetje meer inzicht gegeven in de verschillende behuizingen. Het was een uitdaging om de informatie over de verschillende behuizingen te filteren om tot een goede balans te komen tussen diepgang en toegankelijkheid. Dit kan ertoe leiden dat elke behuizing zijn eigen blog krijgt over hoe deze ontworpen en afgestemd moeten worden inclusief WISKUNDE! In de tussentijd raad ik aan om software zoals WinISD te gebruiken om je gesloten of basreflex behuizing te ontwerpen.

Bibliografie

Alden, R. (2017). Speaker Building 201 (1ste ed.). Audio Amateur, Incorporated.

Newell, P., & Holland, K. (2018). Loudspeakers. Taylor & Francis.