Luidspreker vervorming

[WMC]

Ik lees vaker over harmonische vervorming van luidsprekers, maar wat moet ik me hier precies bij voorstellen? Dat het membraan zich als een sinus gaat gedragen en geen ideaal zuiger gedrag vertoont of is het iets heel anders?

Ook lees ik over verschillende ordes van vervorming, wat houdt dit dan in?

Als universitair student werktuigbouwkunde vrees ik theorie niet, dus als er hierover boeken of pdf's te vinden zijn lees ik deze ook graag. 

[Sander Sassen]

Even kort een paar opmerkingen:

Een luidspreker is natuurlijk puur een massa-veer systeem met daarnaast een aantal hebbelijkheden. De belangrijkste bron van vervorming is wel het feit dat aandrijving niet liniear is, of simpelweg: als ik 1V aanbiedt aan de contacten zal de conus een verplaatsing X te zien geven, bied ik 2V aan dan zal dit niet verplaatsing 2X geven. Dit is uiteraard een bron van vervorming en een belangrijk argument om er altijd voor te zorgen dat een luidspreker binnen z'n (bij benadering) linieare werkgebied blijft. Voor de meeste luidsprekers geldt dat je onder de Xmax moet blijven. In de praktijk gaan de meeste daar overheen, vooral de kleinere (mid)woofers waarvan bij een wat hoger geluidsvolume de Xmax al snel bereikt wordt. Punt is dat je ervoor moet zorgen dat de spreekspoel binnen het magneetveld blijft waar de veldsterkte constant is, dit is een gebied van normaliter slechts enkele mm.

Naast het niet liniear zijn van de aandrijving heb je uiteraard allerlei verliezen die je niet kunt compenseren (tenminste als je passief gaat filteren), zo is het rendement van een gemiddelde luidspreker slechts 0.5 tot 1%. Dus het gros van de energie die je erin stopt wordt niet omgezet in bewegingsenergie maar gewoonweg in warmte. Da's op zich niet zo'n probleem, daar zet je gewoon een zwaardere versterker tegenover. Maar d'r zijn ook andere verliezen die je niet eenvoudig kunt verhelpen. Zo treden er verliezen op in de ophanging van de luidspreker, met name in de rubber (of polyurethaan/gecoat linnen/gelakt papier/etc.) ophanging en de spider die zorgt voor een goede centrering van de spreekspoel. Ook de conus zelf draagt bij aan de verliezen, harde materialen als aluminium en keramiek hebben minder verliezen, papier en zachte kunststof juist weer meer.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

[WMC]

Hoi Sander,

Bedankt voor je antwoord. Dat een luidspreker opgevat kan worden als een massa-veer-(demper) systeem lijkt me logisch inderdaad. Dat de aandrijving niet lineair is, is voor mij ook een logisch verschijnsel, al had ik het niet zo significant ingeschat, eerder had ik vervorming van de conus aangewezen als belangrijkste boosdoener.
Er wordt hier op het forum gesproken over 1e, 2e en 3e harmonische, wat houden deze uitspraken dan in met betrekking tot een luidspreker?

Groeten,

Tom

[Sander Sassen]

De 1e harmonische is de grondtoon waarmee je de luidspreker aanstuurt, bv. 1KHz, de 2e harmonische is de verdubbeling daarvan, dus in dit geval 2KHz, deze component wordt door de luidspreker zelf veroorzaakt, vandaar ook de term 'harmonische vervorming'. De mate waarin deze harmonischen terugkomen en hoe de curve THD (total harmonic distortion) zich verhoudt tot de frequentie is een maat voor de vervorming van de driver, in de regel zal de vervorming stijgen met de frequentie. Voorkomen kan je dit type vervorming niet, maar minimaliseren wel.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

[DofN]

Ik heb bij deze een heel oud draadje uit de stofnesten gehaald

Als ik het goed begrijp kunnen naast versterkers, ook luidsprekers de bron zijn van ongewenste harmonische vervormingen.

Wat ik me afvraag is:

1. Heeft volume invloed op de harmonische vervorming? Dus hoe hoger het volume, hoe eerder harmonische vervorming hoorbaar is? Of is harmonische vervorming altijd hoorbaar aanwezig?

2. Heeft kamerakoestiek invloed op harmonische vervorming?

3. Indien ja: speelt de harmonische vervorming in muziek door de akoestische invloed van de luisterruimte een zo grote rol dat eventuele technische maatregelen om harmonische vervorming door de woofer in een goed ontworpen LS met normale vervormingswaarden, te verwaarlozen zijn? (sorry voor de lange zin). Of kan een beter ontworpen woofer daadwerkelijk nog verschil maken ten opzichte van technisch goede luidsprekers?

4. Bij welk luisterniveau is een eventuele technische maatregel om harmonische vervorming door de LS tegen te gaan, onhoorbaar geworden door de werking van de luisterruimte?

[Staaled]

Ik heb bij deze een heel oud draadje uit de stofnesten gehaald

Als ik het goed begrijp kunnen naast versterkers, ook luidsprekers de bron zijn van ongewenste harmonische vervormingen.

Wat ik me afvraag is:

1. Heeft volume invloed op de harmonische vervorming? Dus hoe hoger het volume, hoe eerder harmonische vervorming hoorbaar is? Of is harmonische vervorming altijd hoorbaar aanwezig?


2. Heeft kamerakoestiek invloed op harmonische vervorming?

3. Indien ja: speelt de harmonische vervorming in muziek door de akoestische invloed van de luisterruimte een zo grote rol dat eventuele technische maatregelen om harmonische vervorming door de woofer in een goed ontworpen LS met normale vervormingswaarden, te verwaarlozen zijn? (sorry voor de lange zin). Of kan een beter ontworpen woofer daadwerkelijk nog verschil maken ten opzichte van technisch goede luidsprekers?

4. Bij welk luisterniveau is een eventuele technische maatregel om harmonische vervorming door de LS tegen te gaan, onhoorbaar geworden door de werking van de luisterruimte?

1 Ja. Ja ( beter). Ja.

2 Nee.

3 Ja, ook volgens Toole blijft een betere speaker te onderscheiden van de mindere in matige akoestiek.

4 Geen zinnig antwoord mogelijk.

[DofN]

Dank je voor je snelle antwoord

Harmonische vervormingen leiden tot de ervaring van een onnatuurlijk geluid. Een stem klinkt niet als een stem, een viool klinkt niet als een viool.

mbt 2: Het menselijk oor vindt dat een viool dus altijd als een viool klinkt, ongeacht de akoestische omstandigheden? Alleen de bron (viool) kan voor de ervaring van ongunstige harmonische vervorming zorgen?

mbt 3: als de kamerakoestiek geen invloed heeft op de ervaren harmonische vervorming van de bron, dan is vraag 4 toch ook beantwoord: de ruimte heeft geen invloed, dus het volume ook niet?

[Staaled]

Dank je voor je snelle antwoord

Harmonische vervormingen leiden tot de ervaring van een onnatuurlijk geluid. Een stem klinkt niet als een stem, een viool klinkt niet als een viool.

mbt 2: Het menselijk oor vindt dat een viool dus altijd als een viool klinkt, ongeacht de akoestische omstandigheden? Alleen de bron (viool) kan voor de ervaring van ongunstige harmonische vervorming zorgen?

mbt 3: als de kamerakoestiek geen invloed heeft op de ervaren harmonische vervorming van de bron, dan is vraag 4 toch ook beantwoord: de ruimte heeft geen invloed, dus het volume ook niet?

Het gehoor kan onderscheid  maken tussen de violisten.
Violen , mwah.

Bij volumetoename vervormt de mindere speaker meer. Dus is het beter waarneembaar.

[morca]

Bij hoge volume,s spreekt een nare akoestiek zichzelf ook meer uit .

[DofN]

Ik heb uitgebreide uitleg nodig om het te begrijpen

Dus: bij volumetoename spreekt de kamer ook meer. En toch heeft dit geen invloed op de hoorbare harmonische vervorming van de luidspreker die een viool ten gehore brengt. En als je 2 uitstekende LS hebt, waarvan de één net even minder vervormt dan de ander, dan moet dat goed hoorbaar zijn?

Ik zit ook te denken aan de wooferuitslag. Bij normale woofers zal bij een gemiddelde LS een woofer niet veel meer uitslaan dan een mm of 2 misschien 3. Bij die waarden treedt toch nauwelijks vervorming door de LS op?

[Interficior]

Misschien toch nog even op reageren als toevoeging op Staaled

Ik heb bij deze een heel oud draadje uit de stofnesten gehaald

Als ik het goed begrijp kunnen naast versterkers, ook luidsprekers de bron zijn van ongewenste harmonische vervormingen.

De harmonische vervorming in versterkers (zeker onbelast) is nagenoeg nihil in vergelijking met wat luidsprekers doen.

Wat ik me afvraag is:

1. Heeft volume invloed op de harmonische vervorming? Dus hoe hoger het volume, hoe eerder harmonische vervorming hoorbaar is? Of is harmonische vervorming altijd hoorbaar aanwezig?

Als we de harmonische vervorming plotten als functie van het ingangssignaal bij dezelfde frequentie, dus we zetten een sinus van 40 Hz op de speaker en we gaan langzaam de volumeknop opdraaien zal je zien dat er een bepaald "knikpunt" is waar de vervorming omhoog "knalt". Niet zo sterk als bij versterkers het geval is, maar hoe harder je draait hoe meer harmonische vervorming (langzaam omhoog) en dan ineens vliegt je vervorming omhoog. Je hoort het nog wel eens op feestjes, een soort "rochelende" baslijn. Daar zit hij dus over zijn limiet heen. Dit is overigens niet direct gevaarlijk, maar goed klinkt het niet.

De spectrale content heeft wel veel invloed op hoe hoorbaar de vervorming is. Het is niet ongewoon dat de, meestal warm klinkende, tweede harmonische lichtjes afneemt met aanstuurniveau. Wanneer de vervorming "door het dak" gaat is het meestal alleen nog maar 3e/5e/7e etc (oneven). Ook de hoorbaarheid is erg afhankelijk van deze spectrale content. 0.1% vervorming van d10 t/m d20 (opgeteld) is zeer makkelijk hoorbaar, terwijl 5% d2 (tweede orde vervorming, dus 2x het stuursignaal). Ook wordt vervorming vanaf pak 'm beet 5 kHz steeds minder hoorbaar omdat de harmonischen buiten het gehoor gaan vallen.

2. Heeft kamerakoestiek invloed op harmonische vervorming?

Niet echt volmondig, maar ik zou toch zeggen "Ja". Omdat de kamerakoestiek de spectrale content beinvloedt (bepaalde tonen worden harder dan andere) doet het dit ook met de vervorming. Bepaalde vervormingen worden beter (of relatief minder) hoorbaar. Maar dit zal allemaar redelijk binnen de perken blijven, want:

3. Indien ja: speelt de harmonische vervorming in muziek door de akoestische invloed van de luisterruimte een zo grote rol dat eventuele technische maatregelen om harmonische vervorming door de woofer in een goed ontworpen LS met normale vervormingswaarden, te verwaarlozen zijn? (sorry voor de lange zin). Of kan een beter ontworpen woofer daadwerkelijk nog verschil maken ten opzichte van technisch goede luidsprekers?

De kamer an-sich heeft niet echt harmonische vervorming. Maar als je zegt dat de harmonische vervorming van de speaker/versterkercombinatie 0% is (ideaal), dan houdt je de vervorming over in de muziek. Rest de vraag: als je een viool in een badkamer zet, klinkt het dan nog als een viool. En dat heb je hierboven al zelf beantwoord.

4. Bij welk luisterniveau is een eventuele technische maatregel om harmonische vervorming door de LS tegen te gaan, onhoorbaar geworden door de werking van de luisterruimte?

Gewoon in-ears kopen, ben je van dat geneuzel af.

[DofN]

Ik vind luidsprekers te leuk om over te stappen op oordopjes 

Bedankt voor de uitleg Ben toch wat wijzer geworden - denk ik . Ik mag het graag uitdiepen tot ik er helemaal uit ben. Als ik het samenvat, dan:

1)
is bij lagere/normale luistervolumes harmonische vervorming door een erg goede luidspreker nauwelijks/niet hoorbaar. De LS die ten opzichte van deze technisch goede luidspreker een nog wat lagere THD heeft, biedt hier geen hoorbare voordelen, tenzij de volumes omhoog gaan.

2)
Bij hogere volumes (feestjes en danspartijen) is harmonische vervorming door de bron wel goed hoorbaar en dan ook nog voorbij een zeker kantelpunt. Ongeacht de ruimte. Hier kan een technisch nog betere luidspreker dan de goede luidspreker  verschil maken.

3) Bij de hogere volumes in een gewone luisterruimtes (dus dat de buren gaan meegenieten) zal de kamer zodanig meespreken dat de verschillen tussen de twee theoretische bovengenoemde LS wellicht opgaan in het geweld van de kamerakoestiek, tenzij de kamer akoestisch prima in orde is en het kantelpunt niet wordt bereikt?

[morca]

Als je akoestiek beter is/je ruimte meewerkt.
Kan je snoeihard draaien terwijl er bijna geen kamerinvloeden zijn,daarom klinkt het dan strakker.

Je zegt het zelf al heel mooi eigenlijk:zal de kamer zodanig meespreken.

[Interficior]

Ik vind luidsprekers te leuk om over te stappen op oordopjes 

Zelfde vervormingsperikelen, maar je wisselt je problemen in het laag van je macro-akoestiek in voor problemen in het hoog van je micro-akoestiek. Eigenlijk nog veel spannender! 

Bedankt voor de uitleg Ben toch wat wijzer geworden - denk ik . Ik mag het graag uitdiepen tot ik er helemaal uit ben. Als ik het samenvat, dan:

1)
is bij lagere/normale luistervolumes harmonische vervorming door een erg goede luidspreker nauwelijks/niet hoorbaar. De LS die ten opzichte van deze technisch goede luidspreker een nog wat lagere THD heeft, biedt hier geen hoorbare voordelen, tenzij de volumes omhoog gaan.

Correct. Let wel dat dit puur en alleen is op het gebied van THD.

2)
Bij hogere volumes (feestjes en danspartijen) is harmonische vervorming door de bron wel goed hoorbaar en dan ook nog voorbij een zeker kantelpunt. Ongeacht de ruimte. Hier kan een technisch nog betere luidspreker dan de goede luidspreker  verschil maken.

Nou, ja en nee. Een luidspreker heeft de nare eigenschap om onder zijn resonantiefrequentie steeds meer te bewegen wat nogal nadelig is voor de THD. Dus dit kan ook zijn op normale luistervolumes.

But wait, there is more.

Als we het hebben over de groep van harmonische vervormingen hebben we dus THD behandeld, wat de optelsom is van de harmonischen gedeeld door óf het totale signaal, óf door de grondtoon. Dit laatste maakt onder de 20% (en da's toch wel zeker de range waarin je wil zitten) weinig verschil. Uitgedrukt in procenten:

THD [%] = 100 * (sqrt[d₂² + d₃² + ... + d_n²]) / (fundamental)

of in dB:

THD [dB] = 20 * log₁₀|(sqrt[d₂² + d₃² + ... + d_n²]) / (fundamental)|

De eenheden van d₂ etc zijn lineaire eenheden (dus geen dB's!) zoals pascal of volt.

Maargoed ik dwaal een beetje af; dit is allemaal afgeleid van één toon. Het feest wordt al een stuk completer als er twee tonen in "the game" zijn. Dan hebben we bijvoorbeeld:

Een 40 Hz grondtoon
Een 1 kHz toon

Nu krijgen we met een klein beetje pech:
40 Hz
1000 Hz
960 Hz
1040 Hz

Maar met nog wat meer pech krijgen we:
40 Hz
80 Hz
120 Hz

920 Hz
960 Hz
1000 Hz
1040 Hz
1080 Hz

1960 Hz
2000 Hz
2040 Hz

Hier een feestelijk plaatje van de NuForce uDAC (ja, dit is dan nog een versterker) met een 60 Hz en 7 kHz toon:



Kleine zoom van het 7 kHz gebied:



Elk staafje is 60 Hz van elkaar verwijderd. Je kunt hier mooi zien dat de oneven orden vervorming hoger is dan de even orden (degene direct naast 7 kHz en dan om en om).

Dit verschijnsel heet IMD. Verwacht niet dat het beter gaat worden als je 3 tonen hebt. Of 4. Of muziek. 

[Staaled]

En daar betaal je dan zo veel geld voor.

[jvanhambelgium]

En daar betaal je dan zo veel geld voor.

-80dBFS is natuurlijk wel nogal aan de stille kant 

Niet dat er enige correlatie is tussen een dBFS-waarde en de "luidheid" dat iets staat voor zover ik weet, maar ik wil maar zeggen dat op dat spectrogram al die harmonischen toch wel een stuk onder de grondtoon zitten.

[Raphie]

alle muziek peakt op 0dBFS, en een RMS van ergens rond de -18 tot -6
Hier zit je dan nog 70dB onder, -80dBFS is zeg maar de ruisvloer van een A/B versterker die niks speelt

[morca]

En daar betaal je dan zo veel geld voor.

En genieten we van......