Hvad gør en højtaler? af Niels Elkjær Iversen & Thomas Haagen Birch

Hvad gør en højtaler? af Niels Elkjær Iversen & Thomas Haagen Birch Technical University of Denmark DTU Electronics Group Department of Electrical Engineering September 2014

Contents 1 Introduktion 1 2 Dag 1 -Højtaleren 1 2.1 Step 1...................................... 2 2.2 Step 2...................................... 2 2.3 Step 3...................................... 3 3 Dag 2 - Målinger 3 3.1 Frekvensgang.................................. 3 3.2 Lyddødt rum.................................. 4 3.3 Målesystem................................... 4 3.4 Højtalerenheden................................. 6 3.5 Simpel væg................................... 6 3.6 Højttalerkabinet................................. 6 3.7 Resultaterne................................... 7 3.8 Flere smartphone muligheder......................... 7 4 raktisk information 7 ii

1 Introduktion Dette er øvelsesvejledningen tilhørende SR-øvelsen "Hvad gør en højtaler?" Øvelsen går udpå at designe og bygge en lille højtaler, som man derefter skal måle på i DTUs lyddøderum. Øvelsen foregår over 2 dage. Den første dag går med at designe og bygge højtaleren. Dag 2 går med at foretage målinger, på den højtaler men netop har bygget. I design processen skal højtalerens performance simuleres vha. simuleringsprogrammet LTSpice, som er et freeware program der kan downloades på http://www.linear. com/designtools/software/. Øvelsen kræver ikke at man skal kende programmet specielt godt, da DTU vil have forberedt en simuleringsprofil som blot skal åbnes i programmet. Det forventes at deltageren, ved øvelsens start, har læst denne vejledning grundigt samt artiklen "Introduction to loudspeaker modelling & design", med hovedvægt på kapitlerne 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.4.5, 3.1 & 3.2, da disse giver en vigtig baggrund til øvelsen. Kapitel 2.4.1, 2.4.2, 2.4.3 samt 2.4.4 er ikke så relevante i forhold til øvelsen og det forventes ikke at deltageren kan redegøre for disse kapitler. 2 Dag 1 -Højtaleren Den første dag går som sagt med design og konstruktion af højtaleren. Højtalerenheden der skal bruges i øvelsen er en 2" højtalerenhed. Højtalerenheden er karateriseret ved en række parametre, kendt som Thiele-Small parametre. Disse oplyser bla. om enhedens resonansfrekvens, f S, ekvivalente volume V AS, mm. Disse parametre er forklaret i [1] kapitel 2.1 og skal bruges i LTSpice simuleringen. Thiele-Small parametrene for den enhed der bruges i denne øvelse kan ses i 1. Symbol Value R e 3.6 Ω L e 0.03 mh f S 166 Hz Q MS 3.85 Q ES 0.67 Q T S 0.57 S D 13.9 cm 2 V AS 0.178 L Table 1: Thiele-Small parameters Højtalerkabinettet, der skal designes og bygges til højtalerenheden, i denne øvelse er et basrefleks højtalerkabinet. Et basrefleks kabinet udnytter en port i højtalerkabinettet til at forstærke bassen. Når et tilfredstillende design er opnået bygges højtaleren i stift skumpap (foam core board) der limes sammen med en limpistol. Designet af højtalerkabinettet kan deles op i flere dele. 1. Teoretisk beregning af kabinet størrelser og -3dB cut-off frekvensen. Se kapitel 2.4.5 i [1] samt design eksemplet i kapitel 3.2. 2. Simulering frekvensgangen og justering af design vha LTSpice. 1

3. Fysisk konstruktion af endeligt design. Herunder design af porten i kabinettet. Se kapitel 2.4.5 & 3.2 i [1]. 2.1 Step 1 Brug Thile-Small parametrene angivet i tabel. 1 til at finde frem til det optimale kabinet design. Brug designeksemplet, kapitel 3.2 i [1], og beregn portresonansfrekvensen, f B, -3dB cut-off frekvensen, f l, og kabinetvolumet, V AB. 2.2 Step 2 LTSpice kan bruges til at simulerer frekvensgangen. Frekvensgangen er et sammensat billede af hvordan højtaleren fungerer ved forskellige frekvenser. Sørg for at programmet LTSpice er installeret på din computer inden du ankommer til øvelsen. Åben filen ventedbox.asc som bliver udleveret ved øvelsens start. Denne fil indeholder en simuleringsmodel der modellerer basrefleks kabinetter. Fig. 1 viser simuleringsmodellen. Figure 1: LTSICE simuleringsmodel Indsæt de relevante Thiele-Small parametre under "Loudspeaker parameters". Indsæt de beregnede værdier for portresonans frekvensen, f B, og kabinet volumet, V AB under "Enclosure parameters". Gå herefter op i fanen "simulate" og vælg "run". Før herefter markøren henover komponenten C3 og mål strømmen ved at klikke på venstre musetast. Denne strøm svarer nemlig til frekvensgangen. Fig. 2 viser et skærmbillede fra LTSpice hvor frekvensgangen måles. Gennem simuleringer kan man optimere sit design. Hvis der f.eks. ikke er nok bas kan man prøve, at gøre kabinet volumet større og sænke 2

portresonansfrekvensen. Dette vil dog tilføje nogle ujævnheder i frekvensgangen som man må vurdere om man kan leve med. Figure 2: LTSICE simulerings resultat 2.3 Step 3 Når kabinet volumet er på plads designes en kasse der har passende dimensioner til at opfylde dette volume. Hvis man er i tvivl eller ikke har nogen fornemmelse for hvordan kabinettet skal se ud, så er det simpleste at lave en kubisk højtaler hvor alle flader er lige store. Brug kapitel 2.4.5 & 3.2 i [1] til at dimensionere porten i kabinettet. Brug herefter en hobbykniv (tilgængelig på DTU) til at skære passende stykker skumpap. Lim stykkerne sammen og sørg for at kabinettet bliver så tæt som muligt, undtagen i porten naturligvis. Husk at skær hul til højtalerenheden. Lav hellere holdet lidt for småt end for stort, så enheden skal presses på plads og efterfølgende sidder i spænd. Der loddes ledninger på højtalerenheden inden den monteres. Loddekolbe samt vejledning i at lodde vil være tilgængelig på stedet. 3 Dag 2 - Målinger Nu skal det bevises at der rent faktisk er en effekt af at have et kabinet. 3.1 Frekvensgang Når man måler på en højtaler måler man, bl.a. det man kalder frekvensgangen. Det man gør, rent praksis, er at man spiller en sinus tone med en bestemt frekvens på højtaleren og måler 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. 3 viser en frekvensgang for en god højtaler og de forskellige områder er angivet (Bas, mellemtone og diskant) å X- aksen ses frekvenserne, dvs fra 20 til 20kHz og på Y- aksen ses forstærkningen angivet i Decibel (db). Decibel begrebet er et meget anvendt matematisk værktøj der 3

Figure 3: Et eksempel på en frekvensgang - billedet er taget fra cockrum.net kort fortalt beskriver forskellen imellem to værdier. Matematisk defineres begrebet som: ( ) 1 db = 20log 10 2 Hvor log 10 er titalslogaritmen og 1 er den den målte værdi og 2 er reference værdien. Når man måler lydtryk som man gør i denne øvelse måler man i enheden ascal og referenceværdien er 2 = 20µa. 3.2 Lyddødt rum For at sortere eventuelle fejlkilder og rummets indflydelse fra bruges der et 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). Et lyddødt rum er et meget følsomt sted og derfor er det STRENGT FORBUDT at røre væggene. Man skal være meget forsigtig når man sætter ting op og passe på at man ikke beskadiger rummet. Det lyddøde rum der skal bruges i denne øvelse er så godt dæmpet at man kan høre blodet pumpe rundt i ens ører når man står i det. 3.3 Målesystem Målesystemet der skal bruges i denne øvelse er et såkaldt Stady State Response (SSR) system som er et lydkort med en mikrofon tilsuttet en computer. Systemet er indstillet med et program som foretager målingen automatisk. Denne type måling kaldes en on-axis måling, hvilket betyder at målemikrofonen står en fastsat længde fra opsætningen og peger direkte ind påhøjtaleren. 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 4 (1)

Figure 4: Et billede af det lyddøderum - billedet er taget fra cockrum.net Figure 5: Måleopsætningen - groft fortegnet 5

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. 3.4 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 påskærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik pågrafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe påskrivebordet. 3.5 Simpel væg Den næste måling er en måling af hvordan højtalerenheden lyder hvis man sætter den i en teoretisk uendelig stor væg. (påengelsk infinite baffle) Væggen er lavet på forhånd og skal bare sættes op. rincippet med væggen er at man får delt lyden fra for- og bag-siden op, såman 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 påskærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik pågrafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe påskrivebordet. 3.6 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 påskærmen. Det tager lidt tid inden målingen er færdig, ca 30 sek. Højre klik pågrafen og vælg Save active curve og gem resultatet i den dertil indrettede mappe påskrivebordet. 6

3.7 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 fådataene konverteret. I sidste ende kommer der tre grafer ud. Frekvensgangen for højtalerenheden i sig selv, i en væg og i et højtalerkabinet. Man skulle gerne kunne se en betydelig forskel imellem målingerne. Derudover kan man sammeligne den målte frekvensgang med det simulerede resultat fra LTSpice, og derved se om kabinettet får højtaleren til at opføre sig som ventet. Hvad kan man konkludere ud fra målingerne? Hvordan på virker kabinettet lyden? 3.8 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. https://play.google.com/store/apps/details?id=com.smartandroidapps. equalizer&hl=da - Equalizer til Android https://itunes.apple.com/us/app/eq-player/id526311436?mt=8 - Equalizer til ihone Med resultatet fra målingen af højttalerkabinettet kan man vudere om der skal skæres noget diskant eller tilføjes noget mellemtone. 4 raktisk information Øvelsen kommer til at foregå på DTU. Adressen er: Ørsteds lads, Bygning 349, Stueetagen. Den nemmeste måde at komme til DTU fra København på 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. 6 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 Wolff - sekretær på 26743421. Niels Elkjær Iversen - Hjælpelærer på nielselkjaeriversen@gmail.com. Thomas Birch - Hjælpelærer på s091102@student.dtu.dk. References [1] N. E. Iversen, "Introduction to loudspeaker modelling & design", Technical University of Denmark (September 2014). 7

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 F 12 0 11 7 Miljøvej 11 3 E Students Union Sports Hall Oticon Hall 10 7 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 station Lyngby Road to Kgs. Villiam Demant Kollegiet Lundtoftevej 38 2 37 5 37 1 37 6 37 7 330 38 4 38 1 37 8 Guest houses Fysikve j L M N O T V R U Z Elektrove j Diplomvej G F E 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 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 roduktionstorvet 45 0 441 44 5 447 Kollegiet Kampsax 43 5 Lundtoftegårsdsvej Andelskollegiet Lyngbygårdsvej Helsingørmotorvejen Child Care Centre and Guest houses E4 7 E5 5 16 KGS. LYNGBY C KLAMENBORG Klampenborgvej Klampenborg/ Strandvejen 0 100 200 300 400 500 mete rs Lyngby Copenhagen Figure 6: Kort over DTU 8