SR Øvelsesvejledning Cornu Højtaler Danmarks Tekniske Universitet DTU Elektro 2013
Indhold 1 Introduktion 1 2 Teoriafsnit 1 2.1 Højtaleren............................. 1 2.2 Teori omkring højtaleren..................... 3 2.3 Opgave............................... 4 2.4 Forstærkeren........................... 4 3 Dag 1 - Byg højttaleren 6 3.1 Byggevejledning til højtaleren.................. 6 3.2 Sæt strøm til forstærkeren.................... 7 3.3 Sæt hele systemet sammen.................... 8 4 Dag 2 - Målinger 9 4.1 Frekvensgang........................... 9 4.2 Lyddødt rum........................... 10 4.3 Målesystem............................ 10 4.4 Højtalerenheden.......................... 11 4.5 Simpel væg............................ 11 4.6 Højttalerkabinet.......................... 12 4.7 Resultaterne............................ 12 4.8 Flere smartphone muligheder.................. 13 5 raktisk information 14 2
1 Introduktion Dette er en vejledning til den øvelse der skal udføres på DTU. Øvelsen strækker sig over to dage, hvor den første dag går med at samle højtaleren og den anden dag går med at lave målinger. Hæftet her indeholder en beskrivelse af øvelsen samt en punkt for punkt vejledning til hvordan øvelsen skal udføres. Der vil naturligvis også være lærere til stede som kan hjælpe, men det forventes at dette hæfte er læst godt igennem inden selve øvelsesdagen. 2 Teoriafsnit Hvorfor bygger man kabinetter til højtalere? Det er det der skal undersøges i denne øvelse. Målet er at bygge et højttalerkabinet til en fuldtone højtalerenhed og måle e ekten af kabinettet bagefter i et lyddødt rum. 2.1 Højtaleren En højtaler er en elektromekanisk enhed der kan omdanne et elektrisk signal til et akustisk signal (lyd) som kan høres af mennesker. Man kan dele en højtaler op to delelementer: Højtalerenheden Kabinettet Figur 1: To generelle delelementer af en højttaler - billedet er taget fra wikipedia En højtaler drives af en forstærker som forstærker et lydsignal. Grunden til der skal en forstærker til, er at det kræver en del energi at få højtalerenheden til at spille. F.eks. kan en Ipod slet ikke levere nok energi til at drive en højtalerenhed selv. Den klassiske højtalerenhed er gengivet på fig. 2 1
Man kunne tro at en højtalerenhed som den på fig. 2 ville være nok i sig selv. Men det er desværre ikke helt rigtigt. Bassen fra forsiden af membranen og fra bagsiden af membranen vil introducere destruktiv interferens, og man vil derfor få en dårlig gengivelse af bas frekvenser. Figur 2: En svingspole højtaler set fra siden - billedet er taget fra wikipedia Men det kan man forbedre, f.eks. ved at pakke højtalerenheden ind i et kabinet. Med et kabinet kan nemlig dele lyden fra forsiden og bagsiden op og derved mister man ikke bas frekvenserne. Den højtaler der skal laves i denne øvelse er en såkaldt Cornuhøjtaler og ser lidt anderledes ud i forhold til en mere traditionel højtaler. Fig. 3 viser hvordan en Cornu højtaler ser ud inden i. Figur 3: En cornuhøjtaler set udefra og inden i - billedet er taget diyaudio.com Sagt med ord, består en cornuhøjtaler af en frontplade, en bagplade og række spiralvægge (det er det der kan ses på fig. 3) som derefter er sat sammen. I denne øvelse skal højtalerkabinettet bygges ud af skumpap som limes sammen. Selve højtalerenheden der skal bruges er en lille fuldtone enhed. 2
2.2 Teori omkring højtaleren Cornu-spiral højtaleren er en såkaldt hornhøjtaler. En hornhøjtaler er kendetegnet ved at kunne øge højtalerens følsomhed, således at højtaleren kan spille højere. å fig. 4 ses en konceptuel tegning af en hornhøjtaler. Figur 4: Konceptuel tegning af hornhøjtaler I Cornuhøjtaleren vil man gerne forstærke bassen (50-300Hz), da små fuldtone enheder ikke har særlig stor følsomhed ved lave frekvenser. Højtaleren skal derfor designes således at disse frekvenser bliver forstærket. Det forstærkede frekvensområde er karakteriseret ved en høj og en lav cut-o frekvens, f low og f high.ifrekvensområdetfraf low til f high vil man forvente at se en forstærkning af lyden. Ved at antage at Cornuhøjtalerens horn er tilnærmelsesvist ekspotentielt, kan de to frekvenser bestemmes ved: f low = m c 4 f high = c S throat 2 V Hvor m er den eksponentielle ekspansions koe cient, V er volumet af kammeret hvori enheden er monteret (coupling chamber) og c = 345m/s er lydens hastighed. S mouth er tværsnitsarealet af hornåbningen og S throat er 3 (1) (2)
tværsnitsarealet af kanalen til kammeret hvor højttalerenheden er monteret. Den eksponentielle ekspansions koe cient, m, kanbestemmesved: m = ln S mouth S throat L horn (3) Hvor L horn er længden af hornet. 2.3 Opgave Følgende oplysninger er givet om den cornuhøjtaler som skal bygges i denne øvelse: Bestem f low og f high. 2.4 Forstærkeren L horn =1m V =200cm 2 S throat =10cm 2 S mouth =150cm 2 Forstærkeren til øvelsen er en færdig forstærker som blot skal sluttes til systemet. Den type forstærker der bliver brugt her, er en såkaldt Klasse D forstærker. Forstærkerprincippet bygger på at man bruger sine transistorer som kontakter, dvs de enten er helt tændte eller helt slukkede, imodsætning til klassiske forstærkere hvor transistorerne kan være lidt tændt. En klasse D forstærker er meget mere e ektiv end en klassisk forstærker, og kan nå helt op på 94-95% e ektivitet. E ektivitet er et udtryk for hvor meget af den energi man putter ind i den ene ende kommer ud som lyd i den anden ende. F.eks. betyder en e ektivitet på 95% at 95% af den energi man putter ind i den ene ende, kommer ud i den anden ende som lyd. Klassiske forstærkere har en e ektivitet på ca. 50% så det er noget af en forbedring. Alt energi som ikke bliver til lyd bliver til spildvarme. 4
Figur 5: Billede af forstærkeren - billedet er fra taget ebay.com 5
3 Dag 1 - Byg højttaleren Den første dag går med at bygge lydsystemet. Det kræver at man først bygger kabinettet, sætter enhenden i, og derefter sætter det hele sammen med forstærkeren. 3.1 Byggevejledning til højtaleren En Cornuhøjtaler består som sagt af et spiralhorn. Den højtaler der skal laves her i øvelsen skal bygges af skumpap, eller på engelsk foam core board. Det er et let materiale at arbejde i og højtaleren kan bygges udelukkende ved hjælp af en hoppy-kniv og lim. Fremgangsmåden er som følger: Tegn designet over på en skumpapplade. Der vil være en skabelon tilrådighed. Lav spiralhornet. Det er vigtig at højtaleren bliver så tæt så muligt så forsøg med forskellige fremgangsmåder. Man kan enten forsøge at lave enkelte store plader eller flere små til højtalerens vægge. (For- og bag-pladen skal være et stort stykke) Lim stykkerne sammen. Skær et hul til højtaler enheden i forpladen og et hul til ledninger i bagpladen. Lim forpladen sammen med bagpladen og læg under pres. Det hjælper med at holde kabinettet tæt. Lod ledninger på højtalerenheden. Sæt højtalerenheden ind i forpladen. Træk ledningerne igennem bagpladen. Når limen er tørret er højtaleren klar til at blive sluttet til forstærkeren. 6
3.2 Sæt strøm til forstærkeren For at forstærkeren skal virke skal den naturligvis have noget spænding og strøm. Den forstærker der bruges her skal have en forsyningsspændig på 12V som kan opnås med helt almindelige AA batterier og den dertil indkøbte batteriholder. Sæt ledningerne fra batteriholderen ind i forstærkerens forsyningsindgang. Sæt 8 AA batterier i batteriholderen. Husk at tjekke at de vender rigtigt. Tjek at forstærkerens LED lyser. Det betyder at den er tændt. Figur 6: Billede af forstærkeren med angivelse af terminaler - billedet er taget ebay.com Figur 7: Batteriholderen Der vil være en kasse som man skal sætte forstærkeren fast i for at beskytte elektronikken. 7
3.3 Sæt hele systemet sammen Når højtaleren er klar, skal hele systemet samles. Figur 8: Hele systemet skal samles Systemet kan med fordel testes med en sinustone og med musik. Hvis man har en smartphone kan man bruge en tonegeneratorapplikation til at afspille en sinustone. ro Audio tone generator til Android Tone generator til ihone Man kan også bruge sin smartphone eller mp3 afspiller til at spille musik på. Ledningerne der kommer ud fra højtaleren sættes i forstærkeren. Forbind en ipod eller anden mp3 afspiller til forstærkerens input. Tjek at forstærkeren er skruet helt ned. Sæt mp3 afspilleren / smartphonen til at spille og skru helt op på den. Skru derefter langsomt op for forstærkeren. Nu skulle der gerne komme lyd ud af højtaleren. Systemet er nu samlet og færdigt. 8
4 Dag 2 - Målinger Nu skal det bevises at der rent faktisk er en e ekt af at have et kabinet. 4.1 Frekvensgang Når man måler på en højtaler måler man, bl.a. det man kalder frekvensgangen Frekvensgangen er sådan set bare et sammensat billede af hvordan højtaleren gengiver forskellige frekvenser. Det man gør er at spille en sinus tone med en bestemt frekvens på højtaleren og måle hvor høj den er. Det gør man så for en hel masse frekvenser i det hørbare område, som for mennesker er ca. 20Hz til 20kHz. Fig. 9 viser en frekvensgang for en god højtaler og de forskellige områder er angivet (Bas, mellemtone og diskant) Figur 9: Et eksempel på en frekvensgang - billedet er taget fra cockrum.net å X- aksen ses frekvenserne, dvs fra 20 til 20kHz og på Y- aksen ses forstærkningen angivet i Decibel (db). Decibelbegrebeteretmegetanvendt matematisk værktøj der kort fortalt beskriver forskellen imellem to værdier. Matematisk defineres begrebet som: db =20log 10 ( 1 2 ) (4) 9
Hvor log10 er titalslogaritmen og 1 er den den ma lte værdi og 2 er reference værdien. Na r man ma ler lydtryk som man gør i denne øvelse ma ler man i enheden ascal og referenceværdien er 2 = 20µ a. 4.2 Lyddødt rum For at sortere eventuelle fejlkilder og rummets indflydelse fra bruges der et sa kaldt lyddødt rum. At det er lyddødt betyder at der, næsten, ingen refleksioner er dvs den eneste lyd man hører er den der kommer direkte fra selve kilden (højtaleren). Figur 10: Et billede af det lyddøderum - billedet er taget fra cockrum.net Et lyddødt rum er et meget følsomt sted og derfor er det STRENGT FORBUDT at røre væggene. Man skal være meget forsigtig na r man sætter ting op og passe pa at man ikke beskadiger rummet. Det lyddøde rum der skal bruges i denne øvelse er sa godt dæmpet at man kan høre blodet pumpe rundt i ens ører na r man sta r i det. 4.3 Ma lesystem Ma lesystemet der skal bruges i denne øvelse er et sa kaldt Stady State Response (SSR) system som er et lydkort med en mikrofon tilsuttet en computer. Systemet er indstillet med et program som foretager ma lingen automatisk. 10
Figur 11: Måleopsætningen - groft fortegnet Denne type måling kaldes en on-axis måling, hvilket betyder at målemikrofonen står en fastsat længde fra opsætningen og peger direkte ind på højtaleren. For at have noget at sammenligne med, skal der fortages målinger for både højtalerenheden i sig selv, højtalerenheden hvis den er sat i en simpel væg og til sidst hvis den sidder i kabinettet. Disse målinger vil vise at kabinettet forstærker især bassen. Det er vigtigt at højtalerenheden i det forskellige øvelser er placeret nogenlunde samme sted ellers kan det forstyrre resultaterne. Til målingen af højtaleren bruges en standard forstærker som findes i måleopstillingen. 4.4 Højtalerenheden Den første måling er målingen af højtalerenheden for sig selv. Sæt højtalerenheden fast i holderen. Vær sikker på at den ikke kan flytte sig. Tjek at forstærkeren er slukket. Tilslut højtalerenheden til forstærkeren. Tænd derefter forstærkeren (den skal lyse rødt) Klik run eller F5 på øvelsescomputeren. Nu foretager systemet en måling og resultatet vises på skærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik på grafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe på skrivebordet. 4.5 Simpel væg Den næste måling er en måling af hvordan højtalerenheden lyder hvis man sætter den i en teoretisk uendelig stor væg. (på engelsk infinite ba e) Væg- 11
gen er lavet på forhånd og skal bare sættes op. rincippet med væggen er at man får delt lyden fra for- og bag-siden op, så man undgår destruktiv interferens i bassen. Derfor skulle man gerne opleve at lyden får mere bas. Sæt væggen op i holderen. Vær sikker på at selve højtalerenheden er nogenlunde i samme position som i den forrige øvelse. Tjek at forstærkeren er slukket. Tilslut højtalerenheden til forstærkeren. Tænd derefter forstærkeren (den skal lyse rødt) Klik run eller F5 på øvelsescomputeren. Nu foretager systemet en måling og resultatet vises på skærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik på grafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe på skrivebordet. 4.6 Højttalerkabinet Den sidste måling er den målingen af højtalerhenden med det kabinet som blev lavet dagen før. Sæt højtaleren op i holderen. Vær sikker på at selve højtalerenheden er nogenlunde i samme position som i den forrige øvelse. Tjek at forstærkeren er slukket. Tilslut højtalerenheden til forstærkeren. Tænd derefter forstærkeren (den skal lyse rødt) Klik run eller F5 på øvelsescomputeren. Nu foretager systemet en måling og resultatet vises på skærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik på grafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe på skrivebordet. 4.7 Resultaterne Nu er alle resultaterne gemt på computeren og der skal laves grafer ud af dem. Til det vil en af lærerne sidde klar og hjælpe med at få dataene konverteret. I sidste ende kommer der tre grafer ud. Frekvensgangen for højtalerenheden isigselv,ienvægogiethøjtalerkabinet.manskullegernekunneseen betydelig forskel imellem målingerne. Hvad kan man konkludere ud fra målingerne? Hvordan påvirker kabinettet lyden? 12
4.8 Flere smartphone muligheder Hvis man har en smartphone kan man bruge en såkaldt equalizer til at hjælpe med responset. En equalizer fremhæver eller reducerer bestemte frekvenser, så man kan skrue ned for diskanten alene, uden at skrue ned for bassen. Der findes adskillige equalizer apps både til ios og Android. Equalizer til Android Equalizer til ihone Med resultatet fra målingen af højttalerkabinettet kan man vudere om der skal skæres noget diskant eller tilføjes noget mellemtone. 13
5 raktisk information Øvelsen kommer til at foregå på DTU. Adressen er: Ørsteds lads, Bygning 349, Stueetagen. DennemmestemådeatkommetilDTUfraKøbenhavnpå er at tage bus 150S fra Nørreport station mod Kokkedal station og stå af ved DTU/Rævehøjvej. Herfra tager det ca. 10-15 minutter at gå til bygning 349. Fig. 12 viser et kort over DTU hvor bygning 349 befinder sig næsten nederst, lidt til venstre for midten. Skulle man have problemer på dagen med at finde vej, bliver man forsinket eller har man spørgsmål af praktisk karakter, kan man kontakte DTU Elektros sekretær Henriette. Har man spørgsmål af faglig karakter eller om selve øvelsen kan man skrive til hjælpelærerne, Thomas og Niels. Hjælpelærerne vil være dem der afvikler øvelsesdagene. Henriette Wol - sekretær på 26743421. Niels Iversen - Hjælpelærer på s092914@student.dtu.dk. Thomas Birch - Hjælpelærer på s091102@student.dtu.dk. Litteratur [1] Martin J. King, Design of a Back Loaded Exponential Horn, ublisher: Martin J. King, 2008. http://www.quarter-wave.com/horns/ Back_Horn.pdf [2] Martin J. King, Advanced Design of a Back Loaded Exponential Horn, ublisher: Martin J. King, 2008. http://www.quarter-wave. com/horns/advanced_back_horn.pdf 14
15 LUNDTOFTE HJORTEKÆR List of signs Departments Oticon Hall Lundtofte 122 Elsinore Administration Campus Service Residential halls and guest houses SCION. DTU Instructional buildings Bus stop Canteen University Library N 22 9 24 0 22 8 22 7 210 20 8 20 9 Kemikalievej 20 7 20 6 Lundtoftevej 239 23 3 23 7 Kolonnevej Kemitorvet 22 1 20 4 20 1 Søltofts lads 20 5 22 4 22 3 22 2 23 4 23 2 23 0 Allé Dams Henrik Nordvej Allé Knuth-Winterfeldts 121 A 11 9 11 8 Brovej 11 4 11 6 D 121 B Bygningstorvet 10 1 B DTU Library A Canteen Glassal G 11 5 E F 12 0 11 7 Miljøvej 11 3 Sports Hall Oticon Hall 10 7 Students Union Lundtoftegårsdsvej Rævehøjvej Jægersborg Dyrehave Virum Brede 30 9 30 1 30 6 30 2 30 3 Anker Engelunds Ve j 41 1 41 5 Villum Kan n Rasmussen Kollegie t 41 6 Helsingørmotorvejen station Lyngby Road to Kgs. Villiam Demant Kollegiet Lundtoftevej 38 2 37 5 37 1 37 6 37 7 330 38 4 Fysikve j T V 38 1 37 8 L R U Z Elektrove j Diplomvej Guest houses M N O G F E 0 100 200 300 400 500 mete rs H J 37 2 Akademivej S D C K A B 37 3 Centrifugevej 314 31 2 32 9 35 6 311 30 7 32 5 32 2 32 6 32 7 Water towers 35 4 35 5 35 3 30 8 34 8 34 4 34 9 ikvej Akust 35 2 34 1 34 2 35 8 M atematiktorve t Richard etersens lads lads Ørsteds 15 30 4 30 5 32 1 Elektrove j 34 3 345 V 34 6 345 Ø 34 7 Allé Asmussens Allé Koppels Nils 402 403 404 42 1 42 3 42 4 42 5 45 1 Ole Nørgaards Have 41 2 41 3 41 4 Akademivej Energivej 42 7 41 7 41 8 Kollegiebakken Vagn AA. Jeppesens Ve j 426 Lyngby roduktionstorvet 45 0 441 44 5 447 Kollegiet Kampsax 43 5 Lundtoftegårsdsvej Andelskollegiet Lyngbygårdsvej Child Care Centre and Guest houses Klampenborgvej Copenhagen E4 7 E5 5 16 KGS. LYNGBY C KLAMENBORG Klampenborg/ Strandvejen Figur 12: Kort over DTU