Luidspreker Demping                                                                                                                <laatst bijgewerkt:  2014-12-15>
In het kort:    
Luidspreker demping is de mate waarin de eigen beweging van een luidspreker (uitslinger verschijnselen) gedempt wordt door de versterker.
Die demping kan aanzienlijk verslechterd worden door de aanwezigheid van een passief wisselfilter, zoals in veruit de meeste luidsprekers, commerciŽel zowel als zelfbouw.

Verwante onderwerpen:
Wisselfilters, bi-amping, tri-amping, multi-amping,
Over geluidsdemping, zoals kamerresonaties en geluidsoverlast naar de buren is er een apart hoofdstuk.

Luidspreker Demping, en nog iets over Wisselfilters

In dit hoofdstuk leg ik uit wat luidspreker demping is, en welke factoren die bepalen.

We zullen zien dat de versterker en de luidspreker kabel slechts een geringe invloed hebben, en dat de demping het meest verknald wordt door het wisselfilter.

 

Inleiding

De luidspreker als spanningsbron

De versterker als kortsluiting

De inwendige weerstand van de luidspreker zelf

Rekenvoorbeeld

Het wisselfilter.  Zie en huiver  

Meerwegs filters

Hogere orde filters

 


Inleiding

In dit hoofdstuk leg ik uit wat luidspreker demping is, en welke factoren die bepalen.

We zullen zien dat de versterker en de luidspreker kabel slechts een geringe invloed hebben, en dat de demping het meest verknald wordt door het wisselfilter.
Ook het begrip "dempingsfactor", vaak te zien in specficaties van versterkers, kan regelrecht de prullenbak in. 

Bij het begrip luidspreker demping denken we meestal alleen aan basluidsprekers. Dat is niet geheel onterecht, want basluidsprekers worden steevast gebruikt in een frequentiebeid dat ook de eigenresonantie van de luidspreker omvat en daar is die demping het belangrijkst. Voor middentoners en tweeters kiezen kiezen we de overgangs frequenties van het wisselfilter meestal zo dat de eigenresonatie van de luidsprekers er buiten vallen.
Niettemin is ook voor die luidsprekers en redelijke demping een pro, met name dome tweeters kunnen een nadrukkelijke eigenresonantie hebben op zeer goed hoorbare frequenties, een paar kHz.
Proefje: Neem eens een losse dome tweeter en verbind die met een batterijtje van 1.5 Volt. Bij het aansluiten zul je een droge tik horen. Bij het verbreken van de verbinding kun je gemakkelijk een "ping" geluid horen. Dat is de eigen resonantie van die ongedempte tweeter.

Ik ben ervan overtuigd dat ook bij andere frequenties dan de eigen resonatie van luidsprekers een redelijke demping gewenst is. Het blijkt dat met de gebruikelijke passieve wisselfilters (die spoelen en condensatoren in je luidsprekerkast)  de demping vaak erg slecht is, in het bijzonder voor die frequenties waar de ene luidspreker het moet overnemen van de andere.
Dat is 1 van de redenen van mijn voorkeur voor een multi-amp systeem. 


De luidspreker als spanningsbron

       pgdemp1.gif                             pgdemp2.gif

Fig 1.                                                                               Fig 2.

Een luidspreker heeft een massa en een veerkracht. Die twee vormen samen een resonator die een sterke voorkeur heeft voor 1 bepaalde frequentie. Als de versterker die toon aanbiedt wil de luidspreker daar graag op trillen. Te graag, want eigenlijk moet 'ie op alle tonen in gelijke mate trillen.

Nu is het gelukkig zo dat als de luidspreker trilt, hij ook een elektrische spanning opwekt met de spreekspoel. In Fig 1 is die spanningsbron getekend.

In Fig 2 is de luidspreker kortgesloten. De spanning zal nu een stroom veroorzaken, die de trilling tegenwerkt.

Hou in de gaten dat: 


De versterker als kortsluiting

Nu kunnen we in de praktijk de luidspreker natuurlijk niet kortsluiten, want dan hebben we ook de versterker kortgesloten, en kunnen er rookwolkjes ontstaan.

Gelukkig zorgt een (goede) versterker zelf voor die kortsluiting, doordat 'ie een vrij lage inwendige weerstand heeft.

 pgdemp3.gif

Fig 3.

Een ideale versterker heeft een inwendige weerstand van 0 Ohm. In de praktijk wordt dat niet gehaald, maar 0.02 Ohm is niet ongebruikelijk bij lage frequenties (In het hoog wil de inwendige weerstand nog wel eens toenemen, maar dit terzijde) 

In deze situatie wordt de luidspreker nog steeds kortgesloten, maar alleen voor trillingen die de versterker niet gecommandeerd heeft.

 

De inwendige weerstand van de versterker wordt vaak niet zo opgegeven door de fabrikant, maar als een getal "Dempingsfactor". Dat getal is gedefinieerd als de luidspreker impedantie waarvoor de versterker ontworpen is (meestal 8 Ohm) gedeeld door de inwendige weerstand. 

In het geval van fig. 3 zou de versterker een "dempingsfactor" van 8 / 0.02 = 400 hebben.

Hier mee zijn we echter nog niet klaar. De luidspreker kabel heeft ook wat weerstand, en er zit meestal een wisselfilter in de kast.

 

 pgdemp5.gif

Fig. 4

De weerstand van de luidspreker kabel is zelden lager dan zo'n 0.2 Ohm, tenzij je heel korte en dikke kabels hebt.

Met het wisselfilter is het echter geheel anders gesteld. Als je eens goed naar gebruikelijke filters kijkt dan blijkt dat die vanuit de luidspreker gezien een heel hoge impedantie vertonen over een breed frequentie gebied, ondanks alle moeite die gedaan wordt om de weerstand van de filterspoelen laag te houden. Verderop in dit hoofdstuk kom ik daar op terug. (lees en huiver....)


De inwendige weerstand van de luidspreker zelf.

Er is nog een belangrijk aspect in het dempings verhaal dat nog wel eens vergeten wordt, en dat is de inwendige weerstand van de luidspreker zelf.

 

 pgdemp9.gif

 

Fig. 5

Een 8 Ohm luidspreker heeft doorgaans een Ohmse weerstand van ca. 6 Ohm. Dat is gewoon de weerstand van het koperdraad van de spreekspoel. 

Er wordt wel eens gedacht dat die weerstand niet meespeelt omdat 'ie zo'n inherent deel van de luidspreker zelf is, maar dat is een misvatting. Een elektodynamische luidspreker bestaat uit een spanningsbron waarvan de inwendige impedantie alle mechanische eigenschappen vertegenwoordigt (massa, veerkracht, ook de mechanische demping, indien aanwezig), de Ohmse weerstand van de spreekspoel en de zelfinducte van de spreekspoel. Deze laatste speelt meestal niet zo'n belangrijke rol, en als 'ie wel meespeelt maakt 'ie het alleen maar erger.  


Rekenvoorbeeld

Ik geef een reken voorbeeld voor de demping in het geval van fig 3 en die bij fig 5.

Stel dat de luidspreker zo uitslingert dat er een spanning van 1 volt ontstaat.

Bij fig. 3 zou er dan 1V / 0.02 Ohm = 50 Ampere gaan lopen. Dat geeft een extreem goede demping.

Bij fig. 5 is de totale weerstand in de kring 0.02 + 0.2 + 6 = 6.22 Ohm (ik verwaarloos het filter nog even)
Er gaat dan een stroom lopen van 1V / 6.22 = 0.16 ampere. Een totaal andere situatie dus.


Je kunt hier ook zien dat de uitgangs impedantie van de versterker en de kabel weerstand maar een geringe invloed hebben.

Stel ze allebei eens op de algemeen als absurd hoog ervaren waarde van 1 Ohm dan wordt de totale kringweerstand 8 Ohm en de stroom 0.125 Ampere. Dat is niet zo vreselijk veel anders dan die 0.16 A van fig 5.

Je ziet in dit rekenvoorbeeld ook dat het begrip "dempingsfactor" bij een versterker specificatie absoluut nergens op slaat. Het is gewoon een smoes om een gemakkelijk te behalen groot getal in de specificatie lijst te krijgen. Een "dempingsfactor van 10 is prima, en alles wat 'ie groter is maakt het niet meer beter.


Het wisselfilter

Hieronder een voorbeeld van een veelvoorkomend eenvoudig 2-weg wisselfilter met een kantelfrequentie van 1 kHz met 8 Ohm luidsprekers.

 

 pgdemp7.gif

Fig. 6

Hoe gedraagt dit filter zich, gezien vanuit de luidspreker?

Ik heb dit voor de bas sectie uitgewerkt:  Vervang de versterker door een kortsluiting, verwijder de luidspreker en "kijk" in het circuit op de plek waar de luidspreker zat. Wat zie je?

 pgdemp8.gif

Fig. 7

Juist, ja. Een parallel resonantie kring. Zo' kring heeft bij de resonantie frequentie een zeer hoge impedantie, maar in een gebied ruim daaromheen ook nog flink wat.

Je ziet hieronder het impedantie verloop van beide kringen (ook die van de tweeter) op drie verschillende schaalgroottes. Op de vertikale as staan Ohms.

 

  pgdemp10.jpg

 

Fig. 8

Rood is hier de impedantie van het basfilter, groen die van de tweeter.

Je ziet dat ze allebei over een groot deel van het audiofrequente bereik ruim boven 1 Ohm zitten, in de buurt van de overneem frequentie zelfs boven de 10 Ohm over een vol octaaf.

De term "Ohm" is hier niet helemaal eerlijk, want beneden de resonantie frequentie is zo'n kring inductief, dan overheerst de zelfinductie en daarboven is het capacitief.  Dat maakt het eigenlijk alleen maar erger, want zelfinducties en capaciteiten kunnen geen energie in warmte omzetten, en dat is wat er voor een goede demping moet gebeuren.

 

Je kunt hier ook de conclusie trekken dat het niet zoveel zin heeft om voor de spoelen in serie met de (bas) luidspreker types te kiezen met extreem lage koperweerstand. In veel gevallen, zeker als de overneemfrequentie wat laag is, zoals bij drieweg-systemen, overheerst de zelfinductie van het bas filter de ohmse weerstand van de versterker en de kabel.
Dit geldt in ongeveer gelijke mate ook voor middentoon luidsprekers en tweeters.

Hieronder het simulatie circuit waarmee ik dit berekend heb. Op mijn download pagina kun je het simulatie programma downloaden  (pSpice Student Demo)

 

SpkrDemping

*signal sources
V1 1 0 AC 1 

Ctweet 0 2 14u
Ltweet 2 0 0.85m
Cbass  3 0 28u
Lbass  0 3 1.7m

R2 1 2 8
R3 1 3 8

.AC dec 150 10 100k 
.PROBE


Meerwegs filters

Bij meerwegs filters is de situatie alleen nog maar slechter, omdat de de scheidings frequenties dichter bij de randen van het audiofrequente gebied liggen.

Ik doe een benadering "uit de losse pols" voor een basfilter met 200 Hz scheidings frequentie.

Bij zo'n filter heeft de zelfinductie bij die 200 Hz een (inductieve) impedantie van ca. 12 Ohm. Bij 100 Hz is dat dan 6 Ohm, en bij 20 Hz nog steeds 1.2 Ohm. De parallele capaciteit doet bij die lage frequenties uiteraard niets meer.

Het zelfde geldt voor de serie condensator van de tweeter met een scheidings frequentie van (ik noem maar wat) 6 kHz. 12 Ohm bij de scheidings frequentie, 6 Ohm bij 12 kHz en 3.6 Ohm bij 20 kHz. De paralelle zelfinductie doet bij die hoge frequenties zo goed als niets meer.

 


Hogere orde filters

Voor filters met een hogere dan de 2e orde heb ik geen berekeningen gemaakt, maar ik veronderstel dat het gebrek aan demping daar nog veel erger is. Ik raad zulke filters trouwens ernstig af om andere redenen. De fasefouten die in het overneemgebied optreden zijn dermate groot dat je het fasegetrouw optellen van het geluid nooit meer goed krijgt. Dat resulteert in een sub-optimale impuls- of stapresponsie. Er gaat de gedachte dat alleen met 1e orde filters een fase-getrouwe optelling van het geluid kan plaats vinden. Dat is niet helemaal waar, met goed uitgekiende 2e-orde filters kan het ook, maar ik kan op dit moment de crtiria daarvoor niet geven.


 

 


.