Simulering af kabinetstørrelse med open source værktøjer
Når man designer en højttaler, skal der formgives og designes et kabinet. Kabinettet sætter rammerne for det visuelle udtryk og den akustiske performance. Det siger måske sig selv, men de beslutninger vi tager på dette tidspunkt i projektet, kommer til at følge os i lang tid. Så de skal gerne være velfunderet.
Er du lige tunet ind på bloggen eller mangler du lige en primer som en opdatering på projektet? Så kan jeg anbefalde at se vores online briefing fra i mandags (den 14/3). Du finder der HER.
Og er du frisk på en workshop, hvor vi skal nørde elektronik - så melder du dig bare til HER.
Et af designmålene med STRØM projektet er at lave en lille højttaler – flere ville nok kalde den for en kompakt højttaler – med en målsætning om at ramme følgende ydre dimensioner (eller mindre): 250x250x60mm (HxBxD).
Skal man lave en lille og smal højttaler, skal vi bruge nogle små højttalerenheder. Da vi også har krav til hvordan højttaleren skal performe, er det nødvendigt at sikre at vi kan opnå de opstillede mål, inden alt for mange beslutninger er blevet taget.
Ud over et lille og kompakt ydre, har vi opstillet følgende designmål for STRØM højttaleren. Nedenfor er de vigtigste krav listet:
- Target maksimum SPL (Sound Pressure Level) på 100dB
- Frekvensgang fra 80Hz til 17.000kHz
- Lineær frekvensgang indenfor ±4dB
Hvis nogle af disse designmål kan overgåes, uden samtidig at gå på kompromis med de resterende, gør det jo ikke noget.
Læs mere om projektets yderligere designmål ved at gå til requirements afsnittet af dokumentationen (WIP).
Hvor lille et kabinet kan vi lave?
For at kunne svare på dette spørgsmål, er det nemmest at lave nogle simuleringer. De siger ikke alt, men er en god start for det videre arbejde.
Hvis vi skal kunne sige noget konkret om kabinetstørrelse, skal vi have taget et konkret valg i forhold til valg af højttalerenheder.
Til STRØM 1.0 projektet har vi valgt at bruge nogle små 2,5” enheder fra SB Acoustics (SB65WBAC25-4). For at kunne nå et mål om et maksimum SPL på 100dB, er én driver ikke nok. Derfor er vi nød til at bruge 4 stk. i hver højttaler. Vi kan dermed øge det samlede lydtryk, uden at skulle benytte os af større enheder.
Positive og mindre positive fysiske “effekter” vi skal være opmærksomme på
Når vi undersøger det maksimale lydtryk denne højttaler kan præstere, så skal vi også kigge på hvor meget energi [W] vi putter igennem spolen og hvor langt membranen kan bevæge sig lineært [Xmax]. Disse to værdier er opgivet af producenten.
Så målet er at finde et kabinetvolumen der gør det muligt, at spille op til 100dB @ 80W (total), uden at Xmax overstiges. Membranen arbejder mest ved de lave frekvenser, og det er også her vi først støder på Xmax.
Da vi har med små enheder at gøre, er det sandsynligt at det er Xmax der sætter begrænsningen for maksimum SPL i den nedre del af frekvensområdet, og ikke enhedernes power handling. Overstiger vi enhedens Xmax bevæger membranen sig ikke længere lineært og det lyder ikke godt. Overstiges den mekaniske begrænsning begynder vi at ødelægge enheden, så det skal vi selvsagt undgå.
Nedenstående graf er resultatet af den første simulering. Der tunes efter maksimalt SPL, uden at Xmax overstiges. De vigtigste parametre vi kan skrue på er kabinetvolumen og indgangseffekt. Det er også relevant at simulere på spolens temperatur, der uden tvivl vil stige under kraftig belastning.
Simuleringen er udført i WinISD. Så hold jer ikke tilbage, med at efterprøve og forbedre resultatet. SPL [dB] på Y-aksen og frekvens ud af X-aksen.
Ved et kabinetvolumen på 1,45l når vi Xmax ved omkring 40W. Og vi rammer endda et stykke over målet, med et peak SPL på 104dB.
Øger vi volumen, når vi Xmax tidligere. Så det ligner en god start.
Der er påført et 8. ordens high pass filter ved 65Hz, da vi ikke nemt kommer ned i denne basregion. Så vi kan lige så godt fjerne den del af signalet.
Lige nu er vi ikke ude efter en lineær frekvenskurve, men udelukkende at finde frem til det mindst mulige kabinetvolumen vi kan komme afsted med. For at kunne opnå en lineær frekvensgang, er der behov for en del korrektion vha. nogle DSP filtre. Mere om dette senere.
Ovenstående graf viser Xmax for denne simulering.
104dB er pænt højt, men der er ikke meget bas
Når vi forsøger at finde ud af hvor dybt højttaleren kan spille, skal vi have dens miljø med i overvejelserne. Da STRØM 1.0 højttaleren fra starten er tiltænkt at skulle hænge på væggen, skal vi have dette med i simuleringen.
Når vi placere en højttaler helt op af væggen, får vi lidt hjælp i de nederste oktaver. Helt konkret betyder det at vi godt kan lægge op til +3dB til det simulerede SPL fra 500Hz og ned efter (boundary reinforcement falder som frekvensen øges; så vi får mest hjælp i de nedereste oktaver).
Hvis vi skal nå et SPL på 100dB fra 80Hz til 17.000Hz (±4dB), som det er beskrevet i vores designmål, så skal der mere til, end hvad vi har vist i ovenstående simulering.
Vi skal have løftet bunden og sænket toppen.
Vi skal altså have øget output i de nederste oktaver, uden at vi samtidig overstiger enhedens Xmax. Så hvordan gør vi lige det?
Ved at miniminere volumen yderligere, øger vi Qtc. Det øger effektivitet lidt og vi ligger nu på:
[latex]Q_{tc}=1,191[/latex]
Ved også at sænke toppen lidt, har vi fået skubbet Xmax peak helt ned i ~80Hz.
Så ved at minimere volumen til 1,2l, øge effekten til 80W (total) og tilføje lidt filtre kan vi opnå et resultat der kommer meget tæt på vores designmål.
Enhederne kobles som udgangspunkt som to grupper af to serielt koblede enheder, der parallelkobles.
Det kan stilles op på følgende formel:
[latex]Imp_{total}=\frac{1}{\frac{1}{Imp_{1}+Imp_{2}}+\frac{1}{Imp_{3}+Imp_{4}}}[/latex]
Og det giver en samlet impedans på 4Ω, da den enkelte enhed også har en impedans på 4Ω..
SPL vs. frekvens med ovenstående to simuleringer.
Det giver os lige lidt ekstra output omkring de 80Hz. Vi ligger nu på 91dB ved 80Hz @ 80W. Det er ikke så dårligt!
Højttaleren er primært tænkt som en væghængt højttaler, og det betyder at vi også bør medregne boundary reinforcement i resultatet. Det vil typisk være +3dB. Især omkring de 80Hz kan vi regne med de fulde +3dB (måske endda et yderligere løft grundet hjørne/gulv refleksioner). Så vi er nok reelt oppe på 94dB.
Som det ses på ovenstående graf, der har membranbevægelse på Y-aksen og frekvens på X-aksen, så har vi fået skubbet peak for Xmax lidt til venstre.
Målet er 100dB fra 80Hz til 17.000Hz og indenfor ±4dB. Det betyder at vi kan dykke ned til 96dB og stadig være on target.
Det er sgu tæt på!
Vi er altså noget der ligner 2dB fra målet. Ikke perfekt, men bestemt heller ikke skidt! Og dette med et kabinet, med et internt volumen på
[latex]V_{C}=\underline{\underline{1,2l}}[/latex]
Med denne tuning (simulering) presser vi enheder til deres (teoretiske) yderste og deres power handling er faktisk målt ved 200Hz - og ikke 80Hz. Så en real world test er nødvendig for at afklare hvordan de reelt klarer sig i sådan et kabinet. Og ved denne belastning.
Kom endelig med indspark og yderligere simuleringer, der kan forbedre resultatet.
Alle WinISD filer ligger i vores GitHub repo under /voicing/.
Denne blog post hænger sammen med det arbejder der bliver lagt i issue #3 i vores GitHub repo.
Næste skridt bliver at skulle have bygget nogle testkabinetter, så vi kan få valideret (eller modbevist) vores simuleringer og antagelser.
Tue Dissing
Handson workshop på Strøm 1.0 audio streaming højttaler
Vi inviterer vores læsere til en Strøm 1.0 workshop den 25/4/2022 i IDA Innovation – Kalvebod Brygge 31-33, 1780 København.
Her vil vi efter en samlet introduktion splittes i 3 spor, henholdsvis elektronik, software og akustikken.
Målet med workshoppen er at komme lidt dybere i de enkelte teknologier og give en hands-on oplevelse på det samlede projekt. Medbring gerne egne højtalerprojekter til vidensdeling og inspiration.
Der er begrænset antal pladser og du kan tilmelde dig på linket her: Tilmeld dig Workshoppen
