Luidspreker systeem                                                                             In bewerking.  Laatst bijgewerkt 2017-12-04
In het kort:
Een onconventioneel luidsprekersysteem met als belangrijkste eigenschappen:
 - 3-weg, Bas, Midden, Hoog. Iedere luidspreker heeft een eigen eindversterker.
 - Actieve filtering met compensatie van luidspreker/box eigenschappen.
 - Geeft frequenties tot onder 20 Hz nog goed weer.
 - Concentrisch rond een verticale as, rondstralend in het horizontale vlak.
 - Geoptimaliseerd tijdgedrag.
 - Subtractief wisselfilter van de tweede orde met Butterworth karakteristiek, Midden = 1e orde.
 - Bas- en Middentoon luidsprekers zijn elektro-dynamisch, Hoog wordt door een monopool elektrostaat weergegeven.
 - De onderlinge gevoeligheid van de luidsprekers wordt op afstand via software ingesteld.
 - In een later stadium komen er klasse D eindtrappen. De eindversterkers en de filters komen in een uitsparing in de bas-box.
 - De regelversterker van waaruit e.e.a. aangestuurd wordt en de bekabeling voorzien in symmetrische overdracht van het analoge audiosignaal, symmetrische RS422 overdracht van de digitale communicatie en een 5-Volt lijn om de eindversterkers vanuit de regelversterker aan of uit te zetten.




Opstelling.jpg    
Spkr-tmb.jpg

De voorgenomen opstelling.
Alle delen behalve de kegel en de tweeterdoos hebben een vijf-hoekig grondvlak.
Onderaan de basbox met de luidspreker omhoogstralend, daarboven de ietwat diamantvormige middentoonbox met de de luidspreker ook omhoogstralend en daarboven de naar beneden stralende tweeter. Tussen de middentoner en de tweeter komt een dubbele kegel. De draagconstruktie (dunne buisjes) is nog niet getekend.
De kegel vormt het middelpunt van de midden- en hoog straling en staat ongeveer op zit-oorhoogte.

De rechter foto geeft de status anno november 2017, zojuist in gebruik genomen. Ze staan nog wel in de grondverf. Volgend jaar wil ik ze spuiten in de voorgenomen kleur (donker rood-bruin metallic, een beetje als bakeliet) maar eerst ervaring opdoen met verfspuiten.


Belangrijke overwegingen:

Waarom 3-weg? 
Geen enkele enkelvoudige luidspreker is in staat om het gehele audiobereik van meer dan 3 decaden goed weer te geven.
Je zou aan een full-range elektrostaat kunnen denken, ESL's staan bekend om de geringe kleuring en het transparante hoog. Ze hebben echter ook nadelen. Voor het laag is een grote oppervlakte nodig, en voor wat power in het laag ook een grote uitslag van de folie. Dat gaat gewoon niet goed. Daar komt nog bij dat ze meestal als dipool uitgevoerd worden, zodat er van diep laag sowieso weinig terecht komt. Ook het hoog is nogaleens problematisch door de richtwerking. In de concentrische opstelling die ik voor ogen heb is dat echter geen probleem.
Bij een tweeweg systeem moet de basluidspreker relatief ver doorgaan in het middengebied, en/of de tweeter moet behoorlijk laag in het middengebied komen. Dat verdraagt zich niet erg, temeer daar de basluidspreker hier erg groot moet zijn om voldoende vermogen in het laag te kunnen afgeven en voor de tweeter de keuze ESL al vast stond wegens het transparante hoog. Deze kleine ESL kan frequenties onder de paar 100 Hz echt niet aan.
Zo kom je vanzelf bij een drieweg systeem uit.

Waarom iedere luidspreker een eigen eindtrap?
Er zijn zoveel voordelen verbonden aan deze aanpak dat het verbijsterend is dat het niet veel vaker gedaan wordt, zelfs niet in het peperdure high-end segment, waar men gemakkelijk duizenden euries betaalt voor een setje luidsprekers of een versterker.
- Iedere luidspreker is over het hele frequentiebereik goed gedempt door de lage uitgangsimpedantie van de versterker. In de klassieke aanpak met passieve filters in de luidsprekerkast is die demping grondig verziekt. Zie het artikel daarover op mijn website.
- Met aktieve filters kunnen veel mooiere filters gemaakt worden met goedkope componenten.
- Passieve filters worden vaak ontworpen met de aanname dat de luidspreker keurig 4 of 8 Ohm is. Niets is minder waar; een 4 Ohm luidspreker kan gemakkelijk 40 Ohm bereiken bij resonantie, en dan doet je filter iets anders dan je gedacht had.
- Het aanpassen van de gevoeligheden van de luidsprekers gaat nu simpelweg met een potmetertje o.i.d. In het passieve geval moeten er (vermogens) weerstanden aan te pas komen die weer een effect hebben op het filter, of sommige combinaties van luidsprekers gaan niet omdat de gevoeligheden te ver uit elkaar liggen of de impedanties te veel verschillen; 4- en 8 Ohm luidsprekers mixen vaak niet goed.
- In de praktijk wordt de verzameling eindversterkers meestal dichtbij of in de luidsprekerkast geplaatst. Dit resulteert in korte luidsprekerkabels met alle voordelen van dien.

- Vervorming in de eindversterkers blijft beperkt tot de betreffende luidspreker. Bijv. hoge harmonischen die in het baskanaal zouden kunnen ontstaan komen niet in de middentoner of de tweeter terecht. (natuurlijk wel in basluidspreker, maar die geeft dat hopelijk minder goed weer)
- Per versterker is er beduidend minder vermogen nodig dan bij een full-range versterker.
- Ook het experimenteren met de filter eigenschappen is aantrekkelijker, want de frequentie bepalende elementen kosten kwartjes, tegen tientjes bij de passieve filters.
- In het bijzonder kun je filters maken waarvan het gesommeerde uitgangs signaal zo goed als recht is in amplitude en ook in fase. De conventionele passieve filters geven bijna altijd fase fouten waardoor het geluid uit de verschillende luidsprekers voor sommige frequenties niet goed optelt en het impulsgedrag slecht wordt.


Waarom tot onder 20 Hz?
Ik heb wat opnames, CD zowel als vinyl, waar zulke lage frequenties op staan en dan wil ik ze ook horen.
Tweedens, als je het tijdgedrag van een systeem goed wilt hebben, moet je het frequentiebereik flink groter kiezen dan wat je echt nodig hebt.
Een luidspreker systeem is natuurlijk ook een filter, en filters die steil afvallen bij een bepaalde frequentie vertonen in het tijddomein uitslingeringen en overshoot. Dat wil ik beperken.

Waarom rondstralend?
Dat is vooral een kwestie van smaak. Het -niet zo sterke- technische argument is dat in alle richtingen hetzelfde spectrum uitgestraald wordt, net als bij veel akoestische muziekinstrumenten. Een ander aspect is dat de z.g. Sweet Spot, het plekje waar je het geluid het beste hoort, hier erg groot is. Het maakt weinig uit waar je precies gaat zitten, het klinkt overal goed.
Er zijn ook mensen die een heel direct geluid willen en genoegen nemen met een kleine Sweet Spot. Ook zij kunnen van de overwegingen hier wellicht iets opsteken.

Waarom concentrisch?
Nou, dan lukt het rondstralen beter. Belangrijker is dat de looptijden vanaf iedere luidspreker naar de luisteraar nagenoeg gelijk gemaakt kunnen worden, ook voor het midden en het hoog en ook in het vertikale vlak. Bij conventionele opstellingen  zijn de afstanden tussen luisteraar en midden / tweeter verschillend afhankelijk van de luisterhoogte. Met deze kegelopstelling is dat effect flink verminderd.

Waarom het tijdgedrag optimaliseren?
De ervaring van mensen die dit gedaan hebben leert dat iedere verbetering van het tijdgedrag resulteert in een geluid waarin details beter hoorbaar zijn.

Waarom het wisselfilter van de 2e orde?
Je zou een hogere orde willen om de luidsprekers zo weinig mogelijk signaal te geven dat niet voor ze bestemd is. Echter, met een hogere dan de tweede orde krijg je het tijdgedrag niet meer goed. (ik heb deze stelling uit een deskundige bron, maar zonder bewijs.)

Waarom Butterworth?
Ik denk dat ik daarmee een goed compromis bereik tussen veel overshoot en rimpel in de doorlaatband zoals bij Chebychev en anderzijds niet zo'n heel slappe overgang van doorlaat- naar sperband, zoals bijv. bij Bessel en Gauss.

Waarom heeft het midden een 1e orde afval?
Dat is een consequentie van het subtractief filter. Als je laag en hoog via een 2e orde filter doet en het midden
afleidt als het resterende krijg je een 1e orde filter. Het bewijs daarvoor ken ik niet.

Waarom voor de middentoner niet ook een elektrostaat?
Dat is overwogen. Maar het blijkt dat de middentoner toch nog vrij veel laag moet weergeven en dat gaat gewoon niet met een ESL.

Waarom een monopool elektrostaat als tweeter?
Ik wil dat 'ie alleen naar beneden straalt en niet ook omhoog, dat staat het rondstraal principe met de kegel in de weg. Daarom komt 'ie in een gesloten doos te zitten met dempmateriaal. Het risico is dat het membraan erg mee gaat trillen bij sterke bassen en dat kan vonken opleveren. Mogelijk moet de doos niet zo heel erg dicht worden of moeten er extra ondersteuning van het membraan komen.
Tweedens, ESL's zijn stofmagneten en dat wil je niet erger maken door er van bovenaf rommel op te laten vallen.

Waarom de onderlinge gevoeligheid van de luidsprekers op afstand instellen via software?
Ik wil dat niet met potmetertjes doen die links/rechts misschien niet eender afgesteld staan en/of gaan kraken. Ik heb voor volume regeling een uitstekende chip gevonden in de PGA2311, en die vereist een microprocessor voor de aansturing. Bovendien is een micro ook nodig voor de toekomstige klasse D eindtrappen.

Waarom klasse D eindtrappen?
Nou, daar is niet zo'n sterk argument voor, anders dan dat ik dat ook eens wil proberen. Er is uit overwegingen van audiokwaliteit geen voorkeur voor klasse D of de gebruikelijke AB, met beide kun je een versterker realiseren met geringe vervorming en voldoende vermogen.
HET grote voordeel van klasse D is het hoge rendement zodat je met kleine koelplaten kunt volstaan, maar dat is hier eigenlijk niet relevant, het hoeft niet super klein.
Voorlopig blijf ik de analoge eindtrappen met STK086 gebruiken, die ik al bijna 30 jaar heb.

Waarom symmetrische overdracht?
Symmetrische overdracht maakt het mogelijk om aan de ontvangkant een grote common-mode onderdrukking te realiseren. Daarmee zijn problemen in verband met aardlussen en andere stoorbronnen nagenoeg uitgesloten. Bedenk dat de eindversterkers en de regelversterker waarschijnlijk uit verschillende stopcontacten gevoed worden en dat er mogelijk lange leidingen tussen liggen.

Waarom de eindversterkers op afstand inschakelen?
Ik wil niet dat ze altijd aan staan, dat is energieverspilling, en ik wil er ook niet iedere keer naartoe moeten lopen om ze aan of uit te zetten, dat is ook energie verspilling. Inschakelen op grond van een minimaal audiosignaal is ook geen optie, dan moet er daar ook altijd iets aanstaan, en ik heb slechte ervaringen met de Philips MFB systemen die dat hebben; als je wat zacht speelt schakelen ze uit. In de 3 setjes MFB die ik in gebruik heb is dat relais dan ook overbrugd.


Hoe voldoe ik aan de eisen / wensen

Frequenties tot onder 20 Hz goed weergeven.
Dat kan eigenlijk alleen met een gesloten box. Iedere andere luidsprekerbehuizing zou veel te groot worden. Beneden de resonantiefrequentie vallen gedeeltelijk "open" behuizingen zoals de basreflex of de "vented" box met 24 dB/octaaf af, en dat is praktisch niet meer te corrigeren met een voorwaarts filter. Zo je het zou willen proberen verval je in een extreem grote conus-uitslag, want alle druk verdwijnt door dat gat.
Bovendien kan het gedrag van een luidspreker in een gesloten box erg goed berekend worden, en leent die zich juist wel voor correctie met een voorwaarts filter. Er ontstaan weliswaar ook grote conus uitslagen, maar je raakt de druk niet kwijt door dat gat.