Gedempt luidsprekersysteem

Een gedempt luidsprekersysteem is een luidsprekersysteem dat bij kleine afmetingen toch over een goede weergave in het lage tonen gebied beschikt. Hierin wordt geen gebruik gemaakt van resonantiepoorten om de laag weergave te "verleggen" naar een lager frequentiegebied, zoals bij de basreflex kast, maar door de trillingen, ook wel resonantie genoemd, van de conus onderkritisch te dempen. Demping verkleint de resenonantie en vergroot de bandbreedte van de luidspreker.

Het kastvolume is effectief met een pijp vergroot; door toepassing van een pijp met speciale afmetingen kan de luidsprekerconus grote uitslagen maken. Het rendement, het afgegeven akoestisch vermogen gedeeld door het elektrisch vermogen van de versterker, is laag. Er is een krachtige versterker nodig. Een versterker van 100 Watt of meer per kanaal is niet ongewoon.

De weergavekarakteristiek is zeer vlak en lijkt op dat van een koptelefoon. Door de toepaste demping is het 2e orde gedrag van de luidspreker onderdrukt en bepaalt alleen de stralingsweerstand van de luidspreker het frequentie gedrag. De stralingsweerstand is, als de golflengte van het geluid in de buurt van de omtrek van de luidspreker komt, omgekeerd evenredig met de frequentie. Onder die frequentie neemt het afgegeven akoestische vermogen 6 decibel per octaaf af.

In de volgende paragrafen wordt de werking van dit systeem, dat in de jaren 70 van de vorige eeuw door Houben cs. bij Philips ELA al is ontwikkeld, toegelicht, inclusief de opbouw van de elektrische filters.

Toelichting

Gedempt luidsprekersysteem, achterkant

In de kast zijn de woofer, de middentonen luidspreker (squawker), de tweeter en de pijp, die de conus van de woofer grote uitslagen moet kunnen laten maken, goed te zien. Op de bodem van de kast ligt het scheidingsfilter, waarin polystyreen condensatoren, 2 luchtspoelen en 1 spoel met ijzerkern zijn toegepast.

De pijp

De kast is tamelijk klein en heeft daardoor een "stijf" akoestisch gedrag, dat wil zeggen de conus van de in de kast geplaatste luidspreker wordt tegengehouden door het kleine volume en kan daardoor niet makkelijk bewegen. Lucht is, naast dat het zeer moeilijk samendrukbaar is, ook niet lineair samendrukbaar en dit geeft vervorming van geluidstrillingen met een grote amplitude. Om de conus toch bewegingsvrijheid te geven is een pijp aangebracht, die het inwendige van de kast in verbinding brengt met de ruimte waar de kast staat. De pijp is zodanig ontworpen dat de massa van de lucht in de pijp én het volume van de kast het geluid boven 20 Hertz 180 graden in fase gedraaid doorgeeft. Daar het geluid, dat door de achterkant van de luidspreker wordt afgestraald, in tegenfase is met het geluid dat aan de voorzijde wordt afgestraald, is het resultaat dat de pijp aan de voorkant (poort) het geluid in fase met de luidspreker afstraalt. Hierdoor wordt ook de geluidsenergie benut die aan de achterzijde van de luidspreker wordt afgegeven.

De massa van de lucht in de pijp en het volume in de kast vormen op hun beurt een resonantiekring, een zogenaamde Helmholtzresonator. Dit is ongewenst, daarom is in de pijp een stuk schuim gestopt om resonantie, kleuring van het geluid rond de 32 Hz, tegen te gaan.

Woofer

Gedempt luidsprekersysteem, vooraanzicht

De woofer heeft een speciale behandeling gekregen. In de kast is te zien dat de 8 gaten in de conusdrager van de luidspreker zijn afgedicht. 5 gaten zijn met aluminium plaat dicht gemaakt met behulp van een sterke 2 componenten lijm. Op de drie resterende gaten is een rooster aangebracht met daarop een laag vilt. Dit vilt heeft een bepaalde luchtweerstand. Die weerstand is zo gekozen, dat de luidspreker bijna géén resonantie meer heeft (onderkritisch gedempt). De massa van de conus en de veerconstante van de conusophanging bepalen de resonantiefrequentie. De mate van opslingering wordt bepaald door de wrijvingsverliezen in het vilt op de conusdrager. De onderkritische demping is nodig om de luidspreker niet te veel te dempen, waardoor deze te zacht zou gaan klinken. De woofer heeft een doorsnede van 30 cm. Het type nummer is AD1258/W8.

Tweeter en Squawker

De gebruikte tweeter is een zogenaamde Dome tweeter, type nummer AD0160/T8. De middentonen luidspreker is een squawker, een dome luidspreker ontwikkeld voor het middentonen gebied in een dichte behuizing, waardoor deze akoestisch geïsoleerd is van de woofer, typenummer AD0211/Sq8.

Scheidingsfilter

Het scheidingsfilter bestaat uit filters van spoelen en condensatoren. Deze vormen op hun beurt parallel- en serie resonantiekringen, ook wel lc-circuits genoemd. Als deze filters gaan resoneren, zal het geluid nadelig worden beïnvloed; er is geen vlakke geluidsweergave mogelijk. Door weerstanden in de resonantiekringen aan te brengen ontstaan rlc-circuits en worden de resonanties gedempt. Ook hier moeten de weerstanden, net als bij de demping van de woofer, niet te klein zijn om te veel vermogensverlies te voorkomen.

Door de demping van de luidspreker en de filters "ziet" de versterker het systeem als een ohmse weerstand. De impedantie is over het audio frequentiegebied van 20 Hz tot 20 kHz constant. Hierdoor is het akoestische gedrag van het luidsprekersysteem niet afhankelijk van de dempingsfactor van de versterker. Buizenversterkers, niet befaamd vanwege hun lage dempingsfactor vanwege de hoge inwendige impedantie van de eindbuizen en de noodzakelijke uitgangstransformator, zouden dit type luidsprekersysteem daarom zonder problemen kunnen aansturen.

Het fasegedrag is door de reële en imaginaire componenten in het scheidingsfilter ook van belang. Rond de overname (scheiding) frequentie treedt een faseverschuiving op die, op zijn beurt, frequentie afhankelijk is. Voorbij de overnamefrequentie is het effect van de faseverschuiving een stuk minder.

Kast

In het binnenwerk van de kast is te zien, dat er geen dempingsmateriaal op de wanden is aangebracht. In andere typen luidsprekerkasten is geluidsabsorptie nodig om de resonantie van de luidspreker, staande golven in de kast en resonantie van de kastwanden zo veel mogelijk tegen te gaan. In de kast van het gedempte luidsprekersysteem is dat niet nodig, omdat het hoofdaandeel van de resonantieveroorzakende effecten, de luidspreker, gedempt is. De wanden van deze kast zijn gemaakt van 22 mm spaanplaat. Dit materiaal is zeer stijf, de afmetingen van de wanden zijn niet groot en zullen daardoor niet of weinig trillen. De kast is 60 cm hoog, 40 cm breed en 30 cm diep. Aan de voorkant kun je de vier belangrijke akoestische onderdelen zien, waaruit de kast is opgebouwd.

Fase gedrag

De bovenstaande luidspreker heeft een drieweg systeem en dit betekent dat er gefilterd moet worden om het frequentiebereik op te delen in hoge - midden en lage tonen. Een filter veroorzaakt fase draaiing en deze fase draaiing is enerzijds afhankelijk van het type filter: 6 dB - 12 dB - 18 dB of 24 dB per octaaf verzwakking en anderzijds van de plaatsing van de luidsprekers ten opzichte van elkaar. Een simpel 6 dB filter in de vorm van een spoel of condensator geeft doorgaans een goed fase gedrag maar de luidspreker dient wel bestand te zijn tegen de zwakke filtering. Fabrikanten zoals Dynaudio hebben hun luidsprekers speciaal ontwikkeld om deze extra belasting goed aan te kunnen. Deze units kunnen enorme thermische belastingen verwerken.

Daarnaast treedt er faseverschuiving op doordat er snelheidsverschillen zijn van de luidsprekers. Een lichte conus met een sterke aandrijving accelereert veel sneller dan een grote zware bas conus. Het resultaat is dat het geluid niet homogeen aankomt bij de luisteraar maar uitgesmeerd is in de tijd. Om dit te compenseren kunnen we de luidsprekers versprongen opstellen, de hoge tonen luidspreker is dan meer naar achteren geplaatst in of op de kast en de midden toner luidspreker ook ten opzicht van de bas unit. Diverse Franse ontwerpen zoals Elipson gebruikten deze methode in de zeventiger jaren om hun luidspreker een meer fase lineair gedrag te laten vertonen. Ook moderne ontwerpen van B&W maken gebruik van deze versprongen opstelling. Als dat gecombineerd wordt met een fase correcte filter dan kan het resultaat bijzonder homogeen zijn.

Uiteraard geeft een punt bron in de vorm van één luidspreker het beste resultaat als het gaat om het fase gedrag. Er is geen filter aanwezig en het geluid vertrekt vanuit slechts een bron. Een ronde conus is in het voordeel doordat we dan te maken hebben met een punt bron. Een groot vlak membraan zoals een magnetostaat of elektrostaat straalt niet vanuit een punt maar vanuit een vlak en wordt daarom vaak een lijn-bron genoemd. Een puntbron geeft een meer natuurlijk resultaat omdat instrumenten ook een min of meer puntbron afstralingsgedrag hebben.

Dat neemt niet weg dat magnetostaten en elektrostaten een verbluffend goede weergave kunnen hebben maar dat heeft meer te maken met het bijzonder lichte membraan, weinig kleuring door de afwezigheid van een kast en de homogene aandrijving. In de praktijk is het zeer moeilijk een conusluidspreker te maken die zowel goed is in de weergave van lage frequenties en hoge frequenties. Daarom wordt er gekozen voor een meer-weg systeem in de vorm van een 2 - 3 of zelfs 4 afzonderlijke luidsprekers. Hoe meer je gaat opdelen hoe moeilijker het wordt om al die afzonderlijke units op elkaar te laten aansluiten met betrekking tot klank karakter, fase gedragen en afstraal gedrag. Daarom wordt zeer vaak gekozen voor slechts 2 units omdat het fase en afstraal gedrag minimaal verstoord worden.

Het is dan ook altijd een compromis voor welk systeem er wordt gekozen. Een meerwegsysteem met vier luidsprekers kan bijvoorbeeld met gemak het bereik van 20 tot 20.000 Hz dekken maar schiet vaak tekort op het gebied van homogeniteit omdat het fase gedrag een stuk minder is dan wat met een twee-weg systeem mogelijk is. Er zijn luidspreker fabrikanten die een hoge toon luidspreker in het centrum van een laag - midden luidspreker monteren (b.v. KEF en Thiel) om zo een punt bron te benaderen en toch beschikken over een twee weg systeem met de voordelen van een groter frequentie bereik. Dit wordt ook wel een coaxiale luidspreker genoemd. Het is een goede benadering van een punt bron en toch een tweeweg systeem.