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Entwicklung eines Lautsprecherchassis
Dipl.-Ing. Timo Kirschke
TU Dresden, ILR, Professur für Raumfahrtsysteme / RaumfahrtnutzungIBTK
Fakultät Maschinenwesen Inst. für Luft- und Raumfahrttechnik, Professur für Raumfahrtsysteme und -nutzung
Gelsenkirchen, 03. November 2007
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 2
Inhalt
● Motivation● Historisches● Typen von Lautsprecherchassis● Simulation● Konstruktion● Aufbau● Messungen● Ausblick● Fragen
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 3
● Hoch- und Mittelton:große Magnetostaten verfügbar
● Tiefton:horizontal symmetrisch zum MT/HT
● Verschiebevolumen über Hub und Chassisanzahl erreichen
● Einsatz adäquater Chassis-> DIY: selbst ausmessen!
● „Hubraum statt Spoiler“: Maximierung der wirksamen Membranfläche
Motivation
Anpassung der Lautsprecher an die Wohnraumverhältnisse
● Linearray für den Wohnbereich:Anlehnung an PA-Arrays
● Erzielung einer gleichmäßigen horizontalen Bündelung
● äquivalent hoher Schalldruck im Tiefton
● Minimierung nichtlinearer Verzerrungen
● Hoher elektroakustischer Wir-kungsgrad verringert elektrisch induzierte Verzerrungen
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 4
Motivation
Gibt es passende Tieftöner?
● kleine Bauform● flache Bauweise● großes eff. Sd● großes Xlin● geringe HD / IMD● bezahlbar
BMS5N155, zu groß AC130 CK50, zu groß
AN100FCO: nur MTHDS106, zu groß W4-792SI, zu groß
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 5
Motivation
Gibt es passende Tieftöner? Fortsetzung
MAD, sehr flach: Preis?FAL, flach: interessante Konstruktion, verfügbar?
Aura NS4, möglich
s1nn, diaboloDE102005019137A1
große VC und flach: 100mm verfügbar?
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● Blatthaller zur öffentlichen Beschallung, Siemens-Patent 1923interessante Zwischenstufe zum Magnetostat
Historisches
Röhrenverstärker hoher Wirkungsgrad der LS gefordert
● elektrodynamische Chassis● Leichte Membranen● Hörner: akustische Transformation
Klangfilm EuronorBlatthaller TUD Institut für technische Akustik
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 7
Chassistypen (Auswahl)
Tauchspulantrieb● elektrodynamisch● kreisförmige
Krafteinleitung in Membran
● Kolbenschwinger● Punktschallquelle
bei NXT: Flächenquelle
Elektrostat● Hochspannung● flächiger Antrieb● Biegeschwinger● Flächenquelle
Bändchen● Hochstrom● flächiger Antrieb● fast kolbenförmig● Linienschallquelle
Magnetostat● wie VC-Chassis● flächiger Antrieb● Biegeschwinger● meist
Linienschallquelle
Aurasound Capaciti? RES Sky1 Alcons
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 8
Simulation Magnetkreis
● Ausgangspunkt B&G RD75:● Wie funktioniert der Magnetostat?● Ferritmagneten in drei parallelen Paaren
Mylarfolie mit Al-Leiterzügen● Abnehmen aller relevanten Abmessungen,
Luftspaltdicke geschätzt
B&G RD75 Querschnitt
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 9
Simulation Magnetkreis
● Nutzung des freien 2,5D-Simulationsprogramms FEMM
● Prüfung der prinzipiellen Funktion
Unterhang-Bl-Kennlinie, Beispiel
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 86065707580859095
100105110115120
Unterhang axial magnetisiert 25Wdg. 10A, VC D38x5, NdFeB38 außen D70xd40xH5
F [N]-F [N]
X [mm]
F [N
]
Unterhang-Bl-Simulation in FEMM
● Test auf plausible Ergebnisse an bekanntem Antrieb
X [mm] F [N] -F [N]-8 71,32 73,27 -2,04 -25,37-7 83,87 81,85 2,11 -12,23-6 91,38 87,22 4,35 -4,37-5 94,71 90,08 4,85 -0,89-4 96,09 91,84 4,45 0,56
Symmetry [%] Linearity [%]
Sym
met
rieac
hse
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 10
Simulation Magnetkreis
● Simulation des B&G RD75
● hier mit NdFeB-Material
● IVC
= 1A
● konkave Bl(X)-Kennlinie
● Geringe magnetische Flußdichte – Kompensationdurch niedrige M
ms möglich
B&G RD75 Magnetkreissimulation
-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50,7500,8000,8500,9000,9501,0001,0501,1001,1501,2001,2501,3001,3501,4001,4501,500
B&G RD75 magnetostat, vertical magnetised, NdFeB32
F [N]F[N] mirrored
X [mm]
F [N
]
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 11
-5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,03,000
3,250
3,5003,750
4,000
4,250
4,5004,750
5,000
5,2505,500
5,750
6,000
circular magnetostat, VC D40, VC D80, VC D115, I=1A
F [N]F[N] mirrored
X [mm]
F [N
]Simulation Magnetkreis
● „Aufwickeln“ der Struktur zu kreisförmiger Anordnung
● Simulation mit diversen Parametervariationen
● Teiloptimierung der Magnetanordnung und der Schwingspulenstruktur
● Erkenntnis: relativ schwacher Antrieb● Folge: niedriger Wirkungsgrad
Einlagige VC, dicke Polplatten
Zweilagige VC, dünnere PolplattenBl-Kennlinie des Magnetostaten, simuliert
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 12
Schwingspule
● Radial alternierende Magnetisierung bedingt Alternieren des Wickelsinns der Abschnitte bzw. der Stromflussrichtung
● Magnetkreissimulation zeigt von innen nach außen zunehmenden Magnetfluss
● Umfang (im Feld wirksame Leiterlänge) nimmt von innen nach außen zu
● Anpassung der Windungszahlen für etwa konstante Flächenkräfte
● Für Serien-/Parallelschaltung und zur Erzielung sinnvoller Impedanzen ebenfalls Anpassung der Windungszahl
Schwingspule und magnetische Durchflutung
Simulation Magnetkreis
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 13
Simulation Magnetkreis
● Simulation des Magnetkreises mit 3D-Multiphysik-FEM
● Einzelleiterzüge für Kraftverteilung
● Abhängigkeit der Auslenkungskraft vom Radius
● qualitative Übereinstimmung mit FEMM-Simulation
+1,5mm
+2,0mm
+2,5mm
+3,0mm
+3,5mm
Aus
lenk
ung
(Hub
)
Radius0
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 14
Konstruktion
VC-Daten, Berechnung der Widerstände, Massen, etc.0,017 0,060 8,9 FR4-Dichte [g/cm³] 1,67 2
Innendurchmesser [mm] Umfang [mm] Abstand [mm] Querschnitt [mm²] Windungen Widerstand [Ohm]26 138,23 0,25 0,15 18 0,01500 45 6220,35 7,05 0,83070 251,33 0,25 0,15 10 0,01500 25 6283,19 7,12 0,839
110 366,94 0,25 0,15 6,8 0,01500 17 6237,95 7,07 0,83321,24 2,502
20 125,66 0,35 0,15 20 0,02100 40 5026,55 4,07 0,93970 251,33 0,35 0,15 10 0,02100 20 5026,55 4,07 0,939
107,5 359,71 0,35 0,15 7 0,02100 14 5035,97 4,08 0,941Summe (VC-Serie, eine Lage) 0,08400 15089,07 12,21 2,820
Dichte [g/cm³] Durchmesser [mm] Dicke [mm] Fläche [cm²] Volumen [cm³] Anzahl Masse [g] + je ½ SickeFR4 1,67 130 0,05 132,73 0,66 2 2,22 13,50 23,50
0,032 130 2 132,73 26,55 1 0,85 14,35 24,350,052 130 2 132,73 26,55 1 1,38 14,88 24,880,075 130 2 132,73 26,55 1 1,99 15,49 25,490,110 130 2 132,73 26,55 1 2,92 16,42 26,420,045 130 3 132,73 39,82 1 1,79 15,29 25,290,028 130 2 132,73 26,55 1 0,74 14,24 24,24
Sicke 2 10
Rho [Ohm*mm²/m] Leiterdicke [mm] Cu-Dichte [g/cm³] Layer pro Träger
Leiterbreite [mm] Wicklungsbreite [mm] Wicklungslänge [mm] Cu-Masse [g]
Σ Masse + Cu [g]
Rohacell 31IGRohacell 51IGRohacell 71IGRohacell 110IGStyrodur 5000CSAramidwabe
LP Nr. Masse / g R_ges / Ohm R_1 in Ohm R_2 in Ohm R_3 in Ohm Summe R_1 R_2 R_3 Cu-Dicke aus R in mm1 6,7 8,13 2,79 2,71 2,61 8,11 0,04722 6,7 8,18 2,81 2,73 2,65 8,19 0,04693 6,5 8,48 2,88 2,83 2,76 8,47 0,04524 7,0 7,53 2,62 2,55 2,36 7,53 0,05105 6,7 8,15 2,79 2,72 2,63 8,14 0,04716 7,1 7,60 2,60 2,53 2,45 7,58 0,0505
Gemessene Daten der Einzelleiterplatten mit Schwingspulen
Berechnete Daten der Einzelleiterplatten und des Laminats mit Schwingspulen
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 15
Vorder- und Rückseite des Gehäuses soll möglichst großes Öffnungsverhältnis aufweisen
Eisenrückschluss = Gehäuse, extern kundenspezifisch anzufertigen- mehrere Teilstücke, Öffnungen lasern
Konstruktion
Konstruktion mit den für Selbstbauer erhältlichen Elementen
Magnete nicht wie üblich im fertig aufgebauten Kreis aufmagnetisierbar
Magnetringe aus handelsüblichen NdFeB-Quadern zusammengesetzt
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 16
● Leiterplatte aus 50µm FR4 (GF-Epoxy), beidseitig mit je 50µm Cu strukturiert
● Verbund aus den LP und Aramidwaben, Größe je nach erhältlicher Sicke
● handelsübliche Gummisicken von WHM
Konstruktion
Konstruktion mit den für Selbstbauer erhältlichen Elementen
● Schwingspule in Membran integriert, aber Selbstwickeln schwierig
● Steife Membran zur Vermeidung von Partialschwingungen
● Verzicht auf Spinne, daher zwei gegenüberliegende Sicken als Parallelführung
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 17
Aufbau
Deckplatten St37 mit NdFeB-Magneten N42 (10*10*5)mm³, Ring (D30*d10*5)mm³
Sandwichmembran, 2 * 50μm GF+Epoxy, 2mm Aramidwabe, 17g
Sickenmontagelehre
Membran (einlagig) aufgelegt
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 18
Aufbau
zweite Sicke verklebt
Verlegung der VC-Zuleitungen in der Sickeninnenseite
Die Deckplatte schwebt aufgrund der sich abstoßenden Magnetringe
TIMAG-Chassis komplett
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 19
Messungen, Impedanzfrequenzgang
● Störung um 750Hz deutlich, keine weiteren Störungen erkennbar
● scharfe Resonanz um 40Hz
● kleine Spitze bei 30Hz rührt von loser Einspannung bei der Messung
● sehr flacher Impedanzverlauf, wie erhofft:teilweise Kompensation der Wicklungsinduktivitäten
Vergleich Impedanzverläufe:grün: Unterhang-Konuschassis NS4 in CB <1l
mit Resonanz um 4kHzrot: Magnetostat
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 20
Messungen, TSP
Mms = 19.81 gVas = 29.35 lSd = 153.94 cm²Bl = 3.109905 TmETA = 0.08 %Lp(2.83V/1m) = 83.69 dBLp(2.0V/1m) = 80.69 dB
Fs = 38.08 HzRe = 4.20 Ω[dc]Le = 157.59 µHQt = 1.59Qes = 2.06Qms = 7.04Cms = 0.882 mm/N
Thiele-Small-Parameter (aus Arta, mit Zusatzmasse)
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 21
Messungen, Amplitudenfrequenzgang
● erwartete Resonanz um 40Hz● starke Störung um 750Hz - Taumeln?● Über 2kHz unkontrollierte Resonanzen● sonst relativ glatter Verlauf bis >1kHz● teilweise dem abenteuerlichen Aufbau
(Freifeldnäherung) geschuldet
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 22
Messungen in CB,Klirrverlauf
● Resonanzbuckel um 50Hz gut erkennbar
● Störung um 750Hz ruft starke Klirrspitze hervor
● moderater Klirranstieg bei tiefen Frequenzen
● Klirrspitzen bei 5kHz, 3,3kHz und 2,5kHz widerspiegeln Amplitudenüberhöhung um 10kHz – Membranresonanz?
● mit +/-4dB recht ausgegli-chener Amplitudenfrequenz-gang von 40Hz bis 6kHz
● Insgesamt für einen Prototyp erstaunlich niedrige harmonische Verzerrungen
● Taumeln um 750Hz ggf. mit Stromzuführungen erklärbar
Amplitudenfrequenzgang (grün),Klirrfaktor K2 (gelb), K3 (grau), K4 (violett)
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 23
Messungen in CB,IMD, CSD
● exemplarisch IMD- (intermodulation distortion) Messungen bei 0,2V und 2V (entsprechen 0,01W und 1W an 4 Ohm)
● Im Vergleich zu HD relativ starke Intermodulationen - Flußmodulation?
● CSD: 750Hz-Störung dominant,>2kHz wahrscheinlich Harmonische,10kHz und darüber: Membranresonanzen
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 24
Ausblick
● Erhöhung des Magnetflusses - wie?● Verringerung der bewegten Masse● Verminderung von Asymmetrien● Vereinfachung und strömungsgünstige
Ausführung der Gehäuseteile● Optimierung der Schwingspule● Al statt Cu als Spulenmaterial● Untersuchung weiterer Ausführungen● Verifikation durch Klippelmessungen
Möglichkeiten zur Verbesserung
Monacor SPH275C im Klippel-Meßstand
03.11.2007 Lautsprecherchassisentwicklung Folie 25
Fragen
Dankeschön an alle, die mir mit Rat und Tat zur Seite standen, insbesondere in Bezug auf:● mechanische Auslegung,● Technologie der Sandwichmembran,● mechanische Konstruktion,● Beschaffung von Einzelteilen● und so fort
Ich bitte um reichliche Fragen.
Danke für die Aufmerksamkeit!
Alcons QR36