Entwicklung des TBM WG2070

Danke für den Hinweis.

Das werde ich mal ausprobieren, allerdings werde ich erst im neuen Jahr dazu kommen.

Ich bin jetzt dazu gekommen die Waveguides zu verspachteln und zu vermessen:

Um möglichst die einzelnen Faktoren getrennt zu untersuchen habe ich folgende Messungen gemacht:

• Neumessung im unveränderten Zustand
• Aus- und Einbau des Hochtöners im unveränderten Waveguide (Um den Einfluss der Toleranzen beim Einbau abschätzen zu können)
• Verschließen der Ecken und des Übergangs Horn zu Schallwand (Hier waren ein paar Spalte)
• Verspachteln des gesamten Wavegides

Den Aufwand in 10°-Schritten horizontal und vertikal zu messen habe ich mir hierbei gespart und nur jeweils eine 0°-, eine 30°- und eine 60°-Messung in horizontaler Richtung gemacht. Veränderungen sollten auch hier schon deutlich werden.

Hier die Messergebnisse

oben links: Anfangsmessung

oben rechts: Wiederholungsmessung nach ein und Ausbau des Hochtöners

unten links: Verschlossene Kanten und Übergang

unten rechts: vollständig verspachtelt

Der Unterschied durch das Verschließen der Kanten scheint kleiner zu sein als der Durch das Neueinsetzen des Hochtöners (Außer vllt. der leichte Pegelgewinn bei 60° zwischen 2 und 4 kHz, kann aber auch durch eine etwas andere Positionierung des Mikrofons kommen), scheint also vernachlässigbar zu sein.

Das Verspachteln scheint den Pegel zwischen 1 und 10 kHz um bis zu 4 dB angehoben zu haben. siehe hier:

Rot: Verspachtelt

Blau: Anfangsmessung

Wie viel davon jetzt von den glatten nicht porösen Waveguideflanken kommt ist fraglich, da hier noch ein anderer Einfluss zum tragen kommt, den ich vorher nicht bedacht habe.

Die Druckkammer bzw. den Anschluss des Horns an den Hochtöner habe ich der Vollständigkeit halber ebenfalls verspachtelt. Während die durch Verwendung von Spanplatten sehr unsauberen Schnittkanten keinen sauberen Abschluss zum Hochtöner lieferten und damit der Übergang womöglich undicht war ist er es jetzt durch das Verspachteln nicht mehr.

Ob diese Undichtigkeit einen so großen Einfluss haben kann, habe ich durch eine einfache Simulation (Rotationssymmetrisch Simulation um Simulationszeit zu sparen) überprüft:

Auch hier zeigt sich ein nennenswerter Pegelverlust.

Leider lässt sich jetzt aber nicht sagen welchen Einfluss genau das Verspachteln des Hornverlaufs hatte, was eigentlich das Ziel dieser Messreihe war.

Was sich hier aber außerdem gezeigt hat:

Ich hatte mir bisher nur Abstrahldiagramme angesehen, aber nicht die einzelnen Frequenzgänge bei verschiedenen Winkeln.

Der 30°-Frequenzgang zeigt hier nämlich einen unschönen Verlauf. Während er oberhalb von 2kHz fast überall leiser ist als der Frequenzgang auf Achse, zeigt er bei etwa 10 kHz einen Buckel und erreicht dort letzteren. Dies zeigt auch die Simulation:

Hier normiert auf 0°

Wie kritisch ist das?

bzw. generell die Aufweitung des Abstrahlverhaltens ab ca. 5 kHz

Der Pegelunterschied erscheint mir auch reichlich hoch. Ich kann einen Fehler bei der Messung hier nicht ausschließen, aber leider kann ich die Messreihe natürlich auch nicht wiederholen.

Der starke Einbruch bei 15 kHz bei 60° zeigt sich ebenfalls bei der Simulation.

Vllt. sollte ich noch ein wenig an der Waveguide-Kontur pfeilen um das Abstrahlverhalten ein wenig gleichmäßiger zu bekommen. Zunächst laufen aber noch ein paar Simulationen vom Waveguide und TMT im Gehäuse. Dann werde ich erstmal schauen wie gut die Abstrahlverhalten am Übergang zusammenpassen um das Abstrahlverhalten des Waveguides noch ein bisschen besser an den TMT anzupassen, wenn ich sowieso schon an der Waveguide-Kontur arbeite.

Nach längerer Zeit hier mal ein kleiner Fortschrittsbericht:

Zuerst eine Simulation des Hochtöners in einem Gehäuse:

Da der Tieftöner relativ hoch spielen soll und sich in dem Bereich nicht mehr kolbenförmig bewegt, habe ich die mechanische Übertragungsfunktion auf verschiedenen radialen Positionen des Tieftöners mit einem Laser-Doppeler-Vibrationssensor gemessen:

(Symbolbild, zeigt die Messung eines anderen Lautsprechers)

Bei einer unendlichen Schallwand funktionierte die Simulation noch sehr gut:

(jedes Kegelelement entspricht hierbei einem Messpunkt mit dem Vibrationssensor)

gestrichelte Linien: akustische Messung auf 1240mmx940mm-Schallwand

durchgezogene Linien: Simulation mit Vibrationssensordaten

Messung/Simulation auf Achse und unter 30° und 60°

Oberhalb des Baffle-Steps zeigt sich eine relativ gute Übereinstimmung

Während sich bei der Simulation auf unendlicher Schallwand die Rotationssymmetrie nutzen ließ, ging das bei der Simulation im Gehäuse nicht:

Hier machte mir aber die Simulationszeit einen Strich durch die Rechnung, da die Membran hier ein sehr feines Gitter erhält und aus 28 unabhängigen schallabstrahlenden Elementen besteht. Die Simulationszeit ist über 2 Tage und die Simulation ist nach mehreren Versuchen nicht ohne Fehlermeldung durchgelaufen. Ich sollte mich irgendwann mal mit der Simulation mittels Klippel-Vib-Files (Akabak kann diese Importieren) und insbesondere dem Formt von den Vib-Files (Damit ich solch eines erstellen kann ohne Klippel SCN-Modul) beschäftigen.

Um Ergebnisse zu erhalten habe ich mich dann entschlossen einen Prototypen aufzubauen:

Und akustische Messungen an diesem durchzuführen:

Die Messergebnisse folgen im nächsten Beitrag

Axialer Frequenzgang Tieftöner und Hochtöner:

Es wurden gefensterte Messungen mit einer Länge von 3,6 ms durchgeführt und die Tieftönermessung mit einer Nahfeldmessung nach unten erweitert. Die Korrektur der Nahfeldmessung (Pegel + Baffle-Step) erfolge mit einer vereinfachten Simulation mit einer Membran, die sich kolbenförmig bewegt (Korrigierte Nahfeldmessung = Nahfeldmessung - simulierte Nahfeldmessung + simulierte Messung in 1m Abstand).

Hier das Abstrahlverhalten des Hochtöners

Links: Horizontal, Rechts: Vertikal

Hier das des Tieftöners:

Links: Horizontal, Rechts: Vertikal

Es zeigt sich, dass das Abstrahlverhalten bei sehr hohen Frequenzen erwartungsgemäß deutlich schmaler ist als das des Hochtöners.

Das horizontale Abstrahlverhalten von Tieftöner und Hochtöner stimmen zwischen 2 kHz und 2,5 kHz relativ gut überein. Niedriger als die ursprünglich geplanten 2,5-4 kHz. Möglicherweise wäre ein etwas steilerer Hornverlauf zielführend.

Im nächsten Beitrag folgen aber erstmal ein paar Versuche eine Frequenzweiche mit dem bisherigen Stand.

Laden der Messdaten in VituixCAD:

links: Tieftöner

rechts. Hochtöner

Zuerst eine sehr vereinfachte Weiche mit Brickwall-Hoch(Tief)pass-Filtern bei 2,3 kHz, zwei parametrischen Equalizern und einem Hohpass 1. Ordnung bei 10 kHz um den Abfall bei Hochtöner zu kompensieren:

Hier ein erster Versuch einer passiven Weiche:

-Hoch- und Tiefpass 2 Ordnung für Hoch- und Tieftöner

-Impedanzlinearisierung für den Tieftöner, da sonst der Sperrkreis kein wünschenswertes Ergebis erzielte

-Ein Sperrkreis für den Peak durch den Baffle-Step bei ca. 900 Hz

-Ein Saugkreis um die Membanresonanzen bei 4-7 kHz zu reduzieren

Als störend erscheint mir hier der Peak im Directivity-index bei ca. 2 kHz, der durch die Auslöschungen zwischen Hoch- und Tieföner vertikal unter Winkeln aufritt hervorgerufen wird und der Peak Energiefrequenzgag bei ca. 1,4 kHz.

Seltsam erscheint mir die Asymmetrie in der horizontalen Abstrahlung bei ca. 2 kHz, da ich horizontal nur Messungen in eine Richtung durchgeführt und die Ergebnisse gespiegelt habe.

Ich freue mich auf Kommentare, Anregungen und Hinweise.

Zur Asymmetrie in der horizontalen Abstrahlung:

Es zeigte sich, dass diese nicht auftritt, wenn ein Treiber alleine spielt, sondern nur, wenn beide zusammen spielen.

Eine Überprüfung der Importierten Daten zeigt, dass mir ein dummer Fehler unterlaufen ist: Den Pegel unter Winkel habe ich gespiegelt, aber die Phase habe ich vergessen zu spiegeln und sie wurde für negative Winkel konstant auf 0 gesetzt.

Hier eine neue Simulation mit angepasster Phase:

Es zeigt sich, dass sich durch die Korrektur der Directivity-Index und der Energiefrequenzgang geglättet haben:

Weiterhin habe ich den Hochpass des Hochtöners etwas angepasst und mit einem Saugkreis den Pegel zwischen 7 und 10 kHz leicht reduziert:

Nach sehr langer Zeit (fast 1 Jahr ist das schon her? erschreckend)

Auch wenn ich leider viel weniger Zeit für das Projekt gefunden habe als ich das gerne hätte gibt es dennoch ein paar Fortschritte. Ich versuche alles nochmal chronologisch auf die Reihe zu kriegen.

Bei dem ersten Prototypen zeigten sich zwei Probleme, die ich gerne angehen wollte

1. Beim Tieftöner zeigt sich im Frequenzgang ein Buckel durch den Bafflestep und direkt darüber eine Senke, die vom Treiber selbst herrührt. Der Buckel lässt sich durch die Frequenzweiche abschwächen, aber die Senke schreibt die maximal mögliche Trennfrequenz vor, die für einen 19mm-Hochtöner reichlich tief liegt.
2. Die Abstrahlung des Hochtöners ist über die Frequenz sehr konstant, aber die des Tieftöners zunehmend bündelnd. Das führt zu einem ungleichmäßigen Abfall des Energiefrequenzgangs

Zur Behandlung von Problem Nr 1 habe ich die Schallwandbreite von 23cm auf 20cm (kleiner war mit dem Tieftöner mit 180mm Außendurchmesser nicht sinnvoll) verringert um damit den Buckel des Bafflesteps etwas zu hohen Frequenzen zu schieben um die Senke damit vllt. ein wenig aufzufüllen.

Zur Behandlung von Problem 2 habe ich die Breite des Waveguides verringert um zum einen die die Abstrahlung bei hohen Frequenzen zu verengen und gleichzeitig die untere Grenzfrequenz zu erhöhen was die Abstrahlung bei tiefen Frequenzen verbreitert, was dann insgesamt eine über die Frequenz leicht zunehmende Bündelung ergeben sollte.

Der entsprechende Prototyp sah so aus:

Hier einmal die Messungen auf Achse von Hoch- und vom Tieftöner von Prototyp 1 (breites Gehäuse und Waveguide, blau) und Protytyp 2 (rot)

Der Buckel durch den Bafflestep wurde in der frequenz ein wenig nach oben gezogen, aber nicht genug um die Senke nennenswert aufzufüllen.

Der Axialfrequenzgang vom Hochöner ist gleichmäßiger geworden.

Hier einmal im Vergleich das horizontale Abstrahlverhalten des Hochtöners

links: Prototyp 1

rechts: Prototyp 2

Es zeigt sich das beabsichtigte Ergebnis: Aufweitung bei geringeren Frequenzen (siehe 1-2 kHz) und Einengung bei höheren Frequenzen (siehe 4-7 kHz). Die zusätzliche Aufweitung um 8 kHz hat sich zwar von der Bandbreite ein wenig verringert, aber von der Ausprägung relativ gesehen verstärkt (Der Abstrahlwinkel ist etwa gleich, aber der darunter liegende Abstrahlwinkel ist kleiner)

Hier das entsprechende Ergebnis in VituixCAD:

Bis etwa 5 kHz ergibt sich hier schonmal ein gutes Ergebnis mit zunehmender Bündelung und kontinuierlich abfallendem Energiefrequenzgang.

Die Aufweitung darüber und der Buckel im Energiefrequenzgang ist aber noch etwas unschön.

Dieses Problem wird im nächsten Beitrag mit dem Prototypen 3 angegangen.

Hier jetzt ein paar Infos zur Weiterentwicklung und dem Prototypen Nr. 3

Bis 5 kHz gefällt mir das Abstrahlverhalten und der Energiefrequenzgang schon mal sehr gut. Die Aufweitung der Abstrahlung oberhalb von 5kHz ist aber noch irgendwie unschön. Da diese bei dem zweistufigen Waveguide aber immer auftrat und ich abgerundete Waveguideflanken zum einen mit dem Werkzeug, das ich besitze, nicht vernünftig herstellbar sind und ich die Optik des gestuften Waveguide behalten möchte, entschied ich mich es mit einem 3-stufigen Waveguide zu versuchen.

Ich habe zwei Varianten ausprobiert. Einmal mit der Kegelbohrung nur im ersten Segment:

Und einmal mit der Kegelbohrung über mehrere Segmente

Diese Geometrien habe ich dann auf einen glatten Frequenzgang und eine möglichst gleichmäßige Abstrahlung optimiert

Hier der Vergleich des zweistufigen Waveguides wie es vorher verwendet wurde und den beiden Varianten des dreistufigen:

Die Variante mit der Kegelbohrung im ersten Segment sieht von der Abstrahlung zwar schon mal besser aus als die zweistufige variante und sieht bis etwa 10 kHz bezüglich Frequenzgang und Abstrahlung sehr gut aus, aber die Kontur ist durch die Bedingung, dass die Kegelbohrung im ersten Segment sein muss doch recht eingeschränkt (Das erste Segment muss relativ lang sein sein), was die Optimierungsmöglichkeiten nicht ausschöpft. Die zweite Variante zeigt daher ein deutlich besseres Ergebnis insbesondere eine deutlich gleichmäßigere Abstrahlung bis über 10 kHz hinaus. Ab 14kHz beginnt die Bündelung stärker zuzunehmen, aber ich denke das ist ok.

An der gejäusegeometrie habe ich auch noch ein paar Änderungen vorgenommen, diese betreffen die Optik, das Abstrahlvrhalten und auch der Vereinfachung bei späteren Finish:

• Bei den vorherigen Prototypen befanden sich rechts und links vom Tieftöner harte rechtwinklige Kanten. um den Buckel vom Bafflestep etwas abzuschwächen habe ich hier noch Fasen hinzugefügt. Um es nachher beim Finisch einfacher zu haben habe ich die Fasen über die gesamte Schallwanddicke von 38 mm gezogen um so keinen glatten Stoß zu haben, der ja immer irgendwie sichtbar bleiben soll. Um den Bafflestep bei möglichst hoher Frequenz zu belassen habe ich die Schallwandbreite bei 200mm belassen
• Für die Optik und fürs einfachere Finish habe ich noch oberhalb vom Waveguide die gleiche Fase hinzugefügt

Hier ein Vergleich von Prototyp 2 und Prototyp 3:

Prototyp 2	Prototyp 3

Da diese Gehäuse den letzten Stand darstellen sollen habe ich hier auch etwas sauberer gearbeitet und die Front aus MDF anstelle von Spanplatte gefertigt. Das Foto zeigt schon den gespachtelten und geschliffenen Stand. Die Gehäuse warten jetzt noch gefüllert und die Front in anthrazit matt lackiert zu werden. die Seitenwände werden in Eichenoptik foliert.

Die nachfolgenden Messungen wurden noch vor dem Spachteln erstellt. die endgültige Optimierung der frequenzweiche wird dann am fertigen Gehäuse durchgeführt. Hier aber schon mal der bisherige Stand, der mich dazu bewogen hat die Gehäuse so zu lassen und die Arbeit un Spachteln und Schleifen zu investieren.

Hier die Messungen:

Es zeigt sich zwar gegenüber Prototyp 2 beim Axialfrequenzgang ein leichter Einbruch des Hochtöners zwischen 4 und 7 kHz und über 14 kHz ist er ungleichmäßiger, aber dafür sind zum einen der 30°- und 60° Frequenzgang deutlich gleichmäßiger insbesondere der Abstand zwischen Axial- und 30°-Frequenzgang ist deutlich gleichmäßiger und zum anderen ist das horizontale Abstrahlverhalten viel besser.

Das vertikale Abstrahlverhalten ist zwar etwas ungleichmäßiger, aber dafür symmetrischer und die Ungleichmäßigkeit ist ohnehin im Bereich der Übergangfrequenz zum Tieftöner, wo die vertikale Abstrahlung ohnehin ungleichmäßig wird.

Hier zwei Entwürfe einer möglichen Frequenzweiche:

Ignoriert den Phasengang und GD zwischen 150 Hz und 300 Hz, da ist beim manuellen Fügen von nah- und Fernfeld etwas schiefgelaufen.

Variante 1 zeigt einen schön gleichmäßigen Axialfrequenzgang, der aber nur dadurch erreicht wird, dass die Membranresonanz des Tieftöners die Senke des Hochtöners bei etwa 5 kHz auffüllt, was aber eher unschön ist.

Bei variante 2 habe ich mittels eine zweiten Saugkreises die Membranresonanz unterdrückt, was die Senke bei 5 kHz des Hochtöners natürlich beim Axialfrequenzgang in Erscheinung treten lässt, was aber den Einfluss der leichten Aufweitung des horizontalen Abstrahlverhaltens im Energiefrequenzgang kompensiert. Zudem habe ich den Axialfrequenzgang im Bereich des Übergangs von HT zu TT etwas angehoben, um die Auswirkung des vertikalen Einschnürens auf den Energiefrequenzgang zu kompensieren.

Wenn die Gehäuse fertig sind gibt es nochmal neue Messungen womit dann die Frequenzweiche weiter optimiert wird.

Kritik, Anregungen oder Verbesserungsvorschläge sind gerne gesehen.

Danke für die netten Worte.

Das mit der Membranresonanz sehe ich ähnlich wie du.

Zitat von Y-King66

Generierst du die Polardiagramme immer nur aus drei FG-Messungen?

Die hier dargestellten Polardiagramme bestehen aus Messungen in 10°-Schritten.

In den Diagrammen mit den Einzelfrequenzgängen habe ich nur 3 Frequenzgänge dargestellt, da ich so übersichtlicher finde und die 3 Kurven ausreichen um zu zeigen was ich zeigen wollte.

Für Polardiagramme mache ich in der Regel je nach Motivation Messungen in 10° oder 15°-Schritten.

Zitat von Roul

Probier mal aus, ob eine kleine Spule unter dem Kondensator des Filters ausreicht. Eventuell gehts dann ohne Sauger auf der Reso und vllt. kannst du sogar auf 12 dB zurückbauen.

Gute Idee, werde ich mal ausprobieren.

Zitat von Roul

Weitermachen!

Alles klar