Luidspreker behuizingen voor elektro dynamische luidsprekers
De gesloten kast of akoestische box
Dit hoofdstuk is bedoeld om inzicht te verschaffen in de principes van luidspreker behuizingen. Kijk ook in het wat algemenere hoofdstuk over luidsprekers.
Ik wil nadrukkelijk opmerken dat het zeer lonend kan zijn om zelf je luidspreker kasten te bouwen. Voor een paar honderd euro kun je een stel luidspreker kasten bouwen die kant-en klaar een veelvoud zouden kosten. Omdat de grootste winst aan geluidskwaliteit nu eenmaal met de luidsprekers valt te behalen zijn er hier forse mogelijkheden voor verbetering van het geluid, zonder in extreme kosten te vervallen.
Bij luidsprekers treffen we drie verschillende mechanismes aan om geluid te maken uit het versterker signaal: Electrostatisch, Piëzo-elektrisch of Magneto-Dynamisch.
In het eerste geval berust de werking op elektrostatische aantrekking en afstoting. Alhoewel dit meestal luidsprekers oplevert van zeer goede kwaliteit ga ik er voorlopig nog niet op in.
Bij Piëzo luidsprekers is het een vaste stof die van vorm verandert onder invloed van een elektrische spanning. Het werkt alleen redelijk bij de hoogste audio frequenties; je ziet wel eens tweeters volgens dit principe, vaak met een aangebouwd hoorntje. De geluidskwaliteit is meestal matig, omdat het piëzo materiaal vaak nogal sterke interne resonanties vertoont, en het hoorntje geeft een sterke richtwerking.
"Magneto-dynamisch" is eigenlijk een verkeerde
term, want dat zou betekenen dat er een magneet beweegt, en er zijn goede
redenen om die nou juist stil te laten staan. Een betere term is
Elektro-dynamisch.
Veruit de meeste luidsprekers
zijn gebouwd volgens dit principe, waarbij een spoel van koper- of aluminium
draad beweegt in een magneetveld.
Hieronder zie je een doorsnede van zo'n luidspreker.
Een belangrijke variant op dit principe is de dome-tweeter. Daarbij zijn het chassis en de conus nagenoeg afwezig, en is het de stofkap, de "dome" (koepel) die het geluid produceert. Dit werkt voor de hoogste frequenties veel beter dan de klassieke conus, en ook beter dan de "dubbelconus" luidsprekers, waarbij er een veel kleinere extra conus op de stofkap staat.
Een andere variant heeft een flinke vlakke plaat als geluids weergever, en er zijn magneten en elektrische geleiders verdeeld over de hele plaat en de vaste constructie daar achter. Waar de conus luidspreker slechts op 1 punt aangedreven wordt is de z.g. "magnetostaat" over de volle oppervlakte aangedreven. Ik ken die constructies slechts oppervlakkig, dus ik zal er niet verder op in gaan. Magnetostaten worden niet in een behuizing gemonteerd, maar als complete eenheid geleverd.
Terug naar de conus-luidspreker.
Een belangrijke vraag is of de spreekspoel kort is ten opzichte van het magneetveld, of juist flink langer, zoals rechts getekend.
Luidsprekers met een lange spoel kunnen een aanzienlijke conus uitslag verdragen, met een bescheiden magneet, maar het rendement is lager, omdat er steeds maar een deel van de spreekspoel meedoet (in het magneetveld zit).
In het geval van de korte spoel is de conus uitslag
beperkt, want als de spreekspoel buiten het magneetveld komt treedt er een
aanzienlijke intermodulatie vervorming op.
Er is dus een magneet nodig met
een lang en homogeen veld en zulke magneten zijn groter en duurder dan die voor
een lange spoel.
Met name het materiaal van de conus bepaalt in hoge mate de geluidskwaliteit. Het probleem is steevast dat niet alle delen van de conus gelijk op bewegen; de conus is niet volmaakt stijf, maar heeft ook wat interne vering en natuurlijk massa. De combinatie van massa en vering geeft resonanties op bepaalde frequenties.
De kunst van het luidsprekers bouwen is om die effecten te minimaliseren, en dat is steeds een kwestie van compromissen: Als je een bepaalde eigenschap verbetert heeft dat bijna altijd een verslechtering van een andere eigenschap ten gevolge.
Een aparte vermelding verdienen actieve luidsprekers, dus
waar er een bewegings opnemer aan de conus verbonden is, die een signaal
terugstuurt naar de versterker zodat ongewenste bewegingen tegengegaan worden.
Er is op dit gebied niet zoveel op de markt, en je zit altijd vast aan de
elektronica die er door de fabrikant bijbedacht is.
Onlangs stuitte ik
wel op een forum van enthousiaste gebruikers van een Philips systeem dat naar ik
begrepen heb niet meer geproduceerd wordt. Het sleutelwoord is Motional Feed Back,
of MFB. Je vindt links naar dit forum op mijn link-pagina. Ik besteed op mijn
website verder geen aandacht aan MFB systemen.
Het blijkt zo goed als onmogelijk te zijn om een enkele luidspreker te maken die over het hele audio frequente gebied goed werkt. Het frequentie bereik wordt dan ook meestal opgedeeld in twee of meer gebieden die elk weergegeven worden door een luidspreker die het in dat kleinere gebied wel goed doet. Er is dan een wisselfilter aanwezig dat er voor zorgt dat iedere luidspreker de juiste frequentiegebieden toegevoerd krijgt.
Bij
de kale luidspreker zal, als de conus naar voren beweegt de hogere luchtdruk daar
snel naar de achterkant vloeien, waar een lagere luchtdruk ontstaat. Het gevolg
is dat er op enige afstand vrijwel geen geluid waargenomen wordt. Hoe lager de
frequentie hoe ernstiger dit effect is. We noemen dit het kortsluit effect.
De kale luidspreker is bijna
altijd onbruikbaar.
Iedere kale luidspreker heeft een bepaalde massa (gewicht van de conus) en een veerkracht die door de ophanging van de conus bepaald wordt. Samen vormen deze een systeem dat een sterke voorkeur heeft voor 1 bepaalde frequentie. Beneden die resonantie frequentie geeft een luidspreker hoegenaamd geen geluid af, en bas- tonen bij de resonantie frequentie kunnen erg overheersend zijn.
Bas luidsprekers hebben een eigenresonantie ergens tussen 20 en zo'n 60 Hz. Voor middentoners ligt dat bij 100 of 200 Hz of zo, en (dome) tweeters resoneren op 1 of 2 KHz .
Probeer een luidspreker altijd te gebruiken boven de eigenresonantie frequentie, want daar onder komt er niets van terecht.
Alle behuizingen voor
elektro-dynamische luidsprekers zijn o.m. bedoeld om het kortsluit-effect en de
gevolgen van de eigenresonantie van de kale
luidspreker te minimaliseren.
Top
Als een elektrodynamische luidspreker elektrisch kortgesloten is zal z'n reonantie veel minder geprononceerd zijn. Immers, als de conus beweegt wordt er een elektrische spanning opgewekt in de spreekspoel. De korsluiting dempt deze eigen resonantie, maar niet volledig.
Een goede versterker
heeft een zeer lage uitgangs impedantie en vormt -vanuit de luidspreker gezien-
zo goed als een kortsluiting.
De mate waarin dat het geval is wordt de "Dempingsfactor" genoemd, een
eigenschap van een versterker. De manier waarop dit begrip gedefinieerd is is
echter zo dat er gemakkelijk een groot, maar niets zeggend getal ontstaat. Een
dempingsfactor van 10 is prima, en alles wat het meer is maakt het nauwelijks
beter.
Top
Hier is de
luidspreker ongeveer in het midden van een vlakke plaat van stijf materiaal
geplaatst.
Dit is de eenvoudigste manier om het kortsluit effect van de kale
luidspreker naar lagere frequenties te brengen. De weglengte van voor naar
achter is nu een stuk groter geworden
Het probleem met de vlakke
baffle is dat 'ie nogal groot wordt als 'ie het bij echt lage frequenties goed
moet doen. Bovendien is het moeilijk om zo'n grote plaat voldoende stijf te
houden. Er zijn wel construkties gemaakt met dubbel hout en zandvulling
daartussen, en ook wat verstevigingsribben, maar die zijn nogal onhandelbaar.
Bij de vlakke baffle is er ook
geen mechanisme om het boem-bas effect van de eigenresonantie van de luidspreker
te onderdrukken.
De
vlakke baffle wordt voor de laag weergave weinig gebruikt, alhoewel er
enkel goed klinkende systemen met een zelfs erg kleine baffle op de markt zijn.
Ik ben nog niet in de gelegenheid geweest zulke systemen groed aan de tand te
voelen. De fysica zegt me dat zulke constructies moeite moeten hebben met zeer
lage frequenties (orgel)
Bij een goede
constructie is er weinig kans op de kast resonanties die
juist in het frequentiegebied 100 to 1000 Hz zo vaak een ongewenste kleuring aan
het geluid geven.
Het nadeel (maar voor velen juist het voordeel) is dat er
aan de achterkant net zoveel geluid uit komt als aan de voorkant. Het is dus
absoluut nodig om zo'n systeem de ruimte geven, net zoals bij veel
elektrostatische luidsprekers.
Top
Hier is de vlakke
baffle opgevouwen tot een gedeeltelijk open kast. Het ouderwetse radio toestel
is een goed voorbeeld van deze constructie.
Het voordeel t.o.v. de vlakke
baffle is dat 'ie bij een vergelijkbare lage tonen productie flink wat kleiner
is, en dat er ruimte is om wat spullen op te bergen (de radio)
Het nadeel is
dat er in het volume van de kast nogal wat oncontroleerbare resonanties kunnen
optreden.. De historische uitvoeringen van dit type luidsprekerbehuizing hadden
ook geen enkele vorm van demping. De kastwanden waren meestal dun en dus
meetrillend. E.e.a. resulteert in een sterk "gekleurd" geluid.
De gevouwen baffle vinden we in goedkope radio's,
in de meeste TV's en in goedkope audio setjes. In bijna al die
gevallen zijn het dan ook nog eens dunne plastic kastjes. Het geluid is er dan
ook naar......
Top
De gesloten kast, ook wel akoestische box.
De luidspreker is
gemonteerd in een verder geheel gesloten kast.
Het lijkt een eenvoudige manier om het geluid van de achterkant van de luidspreker zo kwijt te raken, maar er zitten wel wat adders onder het gras.
De lucht die in de kast
opgesloten is vormt een veerkracht. Die veerkracht telt op bij de vering van de
conus ophanging en verhoogt de eigenresonantie van de luidspreker. Dit effect is
sterker naarmate de kast kleiner is en/of de conus oppervlakte van de luidspreker
groter is.
Bij de resonatie frequentie wordt een overmatige
hoeveelheid geluid afgegeven. Dit kan gemakkelijk aanleiding geven tot een z.g.
boem-bas.
De kastwanden kunnen op bepaalde frequenties resoneren. Dit
veroorzaakt een gekleurd geluid.
Bij hogere frequenties kunnen er allerlei interne resonanties optreden die het geluid sterk kunnen kleuren.
Ondanks deze problemen is het een veel gebruikte luidsprekerbehuizing. De laagfrequent weergave kan in orde gemaakt worden door de kast niet te klein te maken, en ook door een (bas)luidspreker te kiezen met een bescheiden diameter. De paneel resonanties kunnen worden tegengegaan door dikke wanden, verstevigende tussenschotten en dempingsmateriaal. Ook de betere uitvoeringen van dit type kast blijft zodoende betaalbaar.
Er bestaan veel goedkope uitvoeringen waarbij de kast van vrij
dun plastic is. (typisch de "Ghettoblaster" en de boxen van de goedkope
"stereotoren"). Deze uitvoeringen veroorzaken altijd veel kleuring en hebben een
gebrekkige weergave van de zeer lage tonen.
Top
Bijna net als de gesloten akoestische kast, maar er is hier ook een buisvormige opening naar buiten (de poort).
De lucht in de buis vormt een bewegende massa, die in de kast een veer.
Samen vormen die een resonator op een zeer bepaalde frequentie. Als deze
frequentie overeenkomt met de eigenresonatie van de luidspreker vormt het totaal
een resonator die minder gepiekt (minder sterke uitslag) en breder (over een
groter frequentie bereik) resoneert. Met de juiste hoeveelheid dempings
materiaal kan een zeer goede weergeve bereikt worden.
Het grote nadeel van de
basreflexkast is dat 'ie erg critisch is wat betreft de juiste afstemming tussen
de kast-eigenschappen en de luidspreker eigenschappen. En de deze laatste kunnen
in de loop der tijd nog best wel veranderen.
Een variant op dit principe
is de passieve resonator. De poort is dan vervangen door een identieke
luidspreker, maar dan zonder magneet en zonder spreekspoel.
In nog een andere variant is de luidspreker gemonteerd in een tussenschot in de kast, zodat er twee ruimtes van verschillende afmetingen ontstaan, ieder met een eigen poort en ietwat verschillende resonantiefrequenties. Hiermee wordt wordt ook weer een verbreding van de resonantie piek bereikt. Deze constructie vind je typisch in de "subwoofers" voor onder de bank.
Vooral bij wat
kleinere basreflex kasten moet een luidspreker toegepast worden met een kleine
conusdoorsnede, want anders gaat de resonantie frequentie te veel omhoog. Om dan
toch weer dezelfde geluidssterkte te krijgen moet de conus-uitslag groter
worden. We zien dan ook meestal luidsprekers met een lange spreekspoel.
Top
Hier is de
luidsprekere gemonteerd in een lange rechte pijp (soms opgevouwen). Met de juiste lengte kan de
pijp afgestemd worden op de luidspreker, net als bij de basreflexkast en heeft
dan vergelijkbare voor- en nadelen. Een bijzonder voordeel is dat 'ie plat tegen
de muur in de hoogte gebouwd kan worden, en zo weinig vloer oppervlakte inneemt.
Er bestaat ook een variant met meerdere pijpen van verschillende lengte.
Naar
mijn weten is de niet onbekende "Pied Piper" volgens dit principe
gebouwd.
Top
De
hoorn luidspreker
Hier is de luidspreker gemonteerd aan het smalle
eind van een wijduitlopende hoornvormige constructie.
De hoorn vormt een
sterke akoestische demping voor de luidspreker waardoor de effecten van de de
eigenresonantie
beperkt blijven, en ook de conus uitslag gering is. Er kan een luidspreker met
een korte spreekspoel gebruikt worden, en de intermodulatie vervorming is
gering.
Een hoorn die ook bij lage frequenties goed werkt moet
echter extreem groot zijn. Zelfs in een theaterzaal is 'ie een sta-in-de-weg.
Voor huiskamer gebruik is de hoorn zo goed als niet niet bruikbaar voor de
laagste frequenties.
In P.A. situaties wordt de
hoorn wel vrij vaak gebruikt voor midden en hoge tonen.
Een ander nadeel van
de hoorn is dat het geluid erg in 1 bepaalde richting straalt (denk maar aan de
megafoon) Voor P.A. doeleinden kan dat prima zijn maar in de huiskamer willen we
dat meestal niet.
Voor de techneuten: De hoorn vormt een soort "aanpas
transformator" die de akoestische impedantie van de luidspreker aanpast aan
de nogal afwijkende "karakteristieke impedantie" van de omringende
lucht. Vandaar het hoge rendement en de sterke demping van de luidspreker.
De
gevouwen hoorn
Hier is de hoorn op een slimme manier opgevouwen. De
meest bekende vorm is de Klipps-horn, die in de hoek van een kamer gemonteerd
moet/kan worden. De kamer wanden vormen een deel van de hoorn. In sommige
uitvoeringen komt er ook metselwerk aan te pas om e.e.a. trillingsvrij te
realiseren.
Persoonlijk heb ik geen ervaring met deze construkties, en het
lijkt me in veel gevallen onpractisch om er een stereo opstelling mee te
realiseren.
Op de website van
Klipps heb ik absurde prijskaartjes gezien, dus er is werk aan de winkel voor
zelfbouwers.
Top
De
transmission line kast
De luidspreker is
hier gemonteerd aan het wijde
eind van een gevouwen kanaal dat geleidelijk aan smaller wordt. Dat kanaal
eindigt in de open lucht. Het netto effect is dat er weinig geluid uit die poort
komt, het meeste reflecteert weer en gaat terug naar de luidspreker. Voor de
techneuten: die poort heeft een sterke mis-aanpassing op de akoestische
impedantie van de omringende lucht, dus net als bij een niet afgesloten kabel
reflecteert de meeste energie.
Door een
juiste hoeveelheid dempingsmateriaal in het kanaal te plaatsen wordt het geluid
weggedempt. Het dempmateriaal wordt zogezegd dubbel gebruikt waardoor er een
zeer effectieve demping is.
Er bestaan diverse commerciele versies in het wat
dure
segment, maar er zijn ook aantrekkelijke zelfbouw ontwerpen.
Hieronder foto's
in het bouw stadium van de "State Of The Art", zoals dit ontwerp van
ene meneer Atkinson heette.
In een afzonderlijk hoofdstuk vind je meer informatie over dit ontwerp, inclusief recensies, bouwtekeningen, bouwbeschrijvingen, etc. en nog wat tips.
In dit ontwerp zit ook een "vogelhuisje" voor de
middentoner. Dat kooitje werkt als een gesloten box. Het oorspronkelijk ontwerp
had ook nog een rijtje tweeters, maar omdat ik deze kast wilde combineren met
elektrostatische weergevers vanaf ca. 400 Hz (Solosound) heb ik die
weggelaten.
In het achteronder is prima plaats voor een module met
een voeding, drie eindtrap modules en een actief wisselfilter, zodat ook de
luidspreker leidingen zeer kort zijn
Omdat zo'n
constructie veel tussenschotten in de kast vereist hebben de kastwanden ook een
grote stijfheid, waardoor kastwand resonaties niet gemakkelijk voorkomen. En als
het gebeurt blijft het in de kast. Bijv. het middentoon kooitje vormt vrijwel
geheel een "kast in een kast".
Nog een aardige van tijdens de bouw: Toen er nog geen dempmateriaal in zat was de resonantie frequentie van het totaal ongeveer 11 Hertz. Al bij 5 Hertz was er een duidelijke faseverschuiving te zien tussen stroom en spanning door/over de basluidspreker (KEF B139)
Het leeg gewicht, dus zonder luidsprekers of versterkers is ongeveer 40 Kg per stuk.
Bijzondere
modellen
De geschiedenis heeft uiteraard een veelheid van
experimenten opgeleverd. Voor de bas weergevers dacht ik hier een redelijk
volledige opsomming gegeven te hebben. Er zijn varianten van de bovengenoemde
principes gebouwd waarbij de scheidingsmuur tussen twee kamers als vlakke baffle
fungeerde, of waarbij een betonnen rioolpijp de kast van een gesloten box of een
basreflex kast vormde. Dat is nog niet zo gek, want veel problemen met kleuring
van het geluid zijn terug te voeren op resonanties van de kastwanden. Het
gebruik van zware en dikke materialen helpt dan.
Voor de hoge tonen weergave
wil ik 1 ongebruikelijk ontwerp noemen, de Conque, een frans ontwerp.
De
Conque beoogde een oplossing te geven voor de sterke richtwerking van de
ouderwetse hoge tonen luidsprekers, van vóór de komst van de dome tweeter.
De
luidspreker was gemonteerd in een bescheiden kast (soms een bolvormige kast) en
straalt omhoog. Op die kast staat een betonnen elliptische schelp van enkele
decimeters hoog. (denk maar aan het gespitste oor van een kat of hond)
Het
gebundelde geluid van de luidspreker reflecteert zodanig tegen de schelp dat het
goed in alle richtingen verspreid wordt, zonder dat er grote fase fouten
optreden.
Met de komst van de dome tweeter is het probleem van de
richtwerking al voldoende opgelost zodat de conque tamelijk achterhaald is.
Top