2-pásmová reproduktorová soustava

      3.12.2012 V minulosti jsem postavil spoustu různých reprobedýnek, nicméně šlo jen o takové amatérské bastly. Neměl jsem tehdá ještě moc znalostí, ale bavilo mě experimentování se zvukem různých reproduktorů, jejich zapojení a provedení skříní (uzavřená, bassreflex) i ruční práce se dřevem. A také proto, že rozdíl byl ve výsledku hodně slyšet. Reprosoustavy jsou podle mě dnes jedna z nejdůležitějších součástí audiořetězce. A nesmíme zapomínat ani na vlastnosti poslechového prostoru, což často bývá pevně daná věc, s kterou se musíme smířit. Dnes není problém sehnat kvalitní zdroj signálu a zesilovač dobrých parametrů za rozumné peníze, ale kvalitní reprobedny vždy byly, jsou a budou drahé. V řadě případů se dnes k levnější audiotechnice ne úplně špatných parametrů dodávají plastové křapáče, které ve finále kvalitu zvuku zabijou. Takže si myslím, že amatérská stavba reprobeden má smysl a že se na výsledném zvuku projeví více, než nějaká změna zkreslení zesilovače na 2. nebo 3. desetinném místě...
      Svou poslední verzi uzavřených 3-pásmových reprobeden, na které hraju do teď, jsem postavil před více než 10 lety a jsem s nimi docela spokojený. Z dnešního pohledu vidím, že jsem se při konstrukci dopustil řady chyb, ale říkal jsem si, že novou verzi kompletně předělám až s novým poslechovým prostorem. Avšak když jsem viděl Davidovu konstrukci menších 2-pásmovek s docela lidovými reproduktory, hned se mi zalíbila a začalo mi to vrtat hlavou. Nakonec jsem se rozhodl, že udělám ještě jednu přestavbu. Přechod od 3-pásem k 2-pásmům je takový návrat k minimalismu, ale věřím, že nové reproduktory zvládnou dobře pokrýt širší pásmo a návrh a sladění výhybky tak bude o dost jednodušší. Také jsem zvědav, jak se zvukově projeví použité nové technologie - kevlarová membrána středobasového reproduktoru. Jedná se o typ IRB 16/60/01,8, který u nás pod svým značením prodává a vyrábí firma Dexon za 520,- Kč. Tento 6,5" reproduktor se dělá pouze v 8Ω verzi, ale jelikož mám na zesilovači Kenwood KA-1030 dost velkou rezervu výkonu pro běžný poslech, tak to neřeším. Vyšší impedance se pozitivně projeví na menším vlivu odporu kabelů a lepším tlumení, ale zas budu potřebovat do výhybek větší indukčnosti. K tomu jsem hledal vhodný výškáč, který by zvládl dostatečně nízkou dělící frekvenci (počítám max. 2 kHz) a nakonec jsem vybral Monacor DT-300, který mají v GESu za 419,- Kč. Žádnou jinou alternativu jsem u nás nenašel. Pokud by nevadilo si připlatit za poštovné ze zahraničí, tak VIFA DX25TG09-04 za 22,36 euro by byla určitě lepší volba, ale o té jsem se dozvěděl bohužel pozdě. Zde je stručný přehled parametrů reproduktorů:

repro: IRB 16/60 DT-300 DX25TG09-04
Pjm [W] 60 50 100
Zjm [Ω] 8 8 4
citlivost [dB/W] 88 93 92
f-pásmo [Hz] 40 - 4500 2000 - 19000 2500 - 20000
fs [Hz] 56 750 703
Qts [-] 0,54 0,65 0,58
Vas [l] 11,8 - 0,013
d membrány [mm] 140 30 32,4

IRB 16/60/01,8 front IRB 16/60/01,8 back Monacor DT-300 front Monacor DT-300 back
IRB 16/60/01,8 IRB 16/60/01,8 Monacor DT-300 Monacor DT-300

      27.12.2012 Mechanické rozměry reprobeden jsou pevně dané rozložením nábytku a vybavení v mém malém pokoji (hloubka je 200 mm), takže budu měnit pouze čelní desku pro reproduktory. Ta stávající je už děravá jako cedník. Rozhodl jsem se pro materiál MDF (Medium-Density Fibreboard), který se běžně používá ke konstrukci reprobeden pro svojí pevnost, dobrou obrobitelnost a vnitřní tlumení. Vzhledem trochu připomíná sololit, avšak ve větších tloušťkách prakticky nelze ohnout. Spousta firem prodává velké MDF desky v rozměrech zhruba 3 x 2 m kolem 1500 - 2000 Kč, ale sehnat menší kus je trochu problém. Na Hornbachy, Obi a pod. rovnou zapomeňte, tam mají akorát dřevotřísku nebo OSB. Nakonec jsem vyškemral pár odřezků tloušťky 22 mm na pile SORTIMu v Holešovicích. Kruhové otvory se zahloubením pro reproduktory jsem nechal vyfrézovat u truhláře. Rozmístění výškáčů je asymetrické, abych dosáhl ostřejšího poslechového úhlu a dostal je dál od stěny.

výkres-čelní deska čelní deska čelní deska s IRB 16/60/01,8

      Z rozměrů bedny vychází vnitřní objem 15,9 l a po odečtení vnitřků reproduktorů budu počítat spíše 15,5 l. IRB 16 mají oproti ARN 6614 podstatně menší nároky na objem uzavřené skříně, takže by zdvih rezonanční frekvence nemusel být tak drastický. Zkusil jsem to nasimulovat v programu WinISD. Pro IRB 16 jsem si vytvořil model z dostupných katalogových údajů, ke stažení zde. Rezonance mi vyšla na 77 Hz bez výrazného peaku (šedá křivka odpovídá původnímu ARN 6614). Díky přídavnému vnitřnímu tlumení, které virtuálně zvětšuje objem bedny, však očekávám menší reálný posun rezonance. To ukáže až měření v bedně. Alternativou je program Amplion českého autora Antonia z AudioWebu, který umí simulovat chování reprobedny včetně míry vnitřního zatlumení. Při 100% zaplnění vnitřního objemu jsem se dostal s rezonancí na 72,7 Hz, což se pak ukázalo jako velmi přesný odhad. V současnosti stále čekám s kompletací na výškáče z GESu, které někde váznou už skoro měsíc...

WinISD IRB 16/60/01,8 simulace
WinISD - simulace IRB 16/60/01,8 v reprobedně

Amplion IRB 16/60/01,8 simulace 100% zatlumení
Amplion - simulace IRB 16/60/01,8 v reprobedně se 100% zatlumením

      2.1.2013 Mezitím jsem si zkusil cvičně přeměřit TS parametry obou reproduktorů. Tyto parametry se jmenují podle pánů Thieleho a Smalla a určují parametry elektromechanického modelu reproduktoru v oblasti nízkých frekvencí (kolem rezonance). Počítají se z naměřené impedanční charakteristiky volně loženého reproduktoru a lze z nich odvodit chování reproduktoru v ozvučnici (např. výše zmíněný program WinISD). Detailní popis TS parametrů v češtině zde. Nutno poznamenat, že TS parametry se v průběhu času mění se stárnutím pohyblivých částí reproduktoru, zejména závěsu membrány. Ten obvykle vyměkně a sníží se vlastní rezonanční frekvence fs. Doporučuje se proto nechat nové repráky rozehrát (desítky hodin). Já jsem na jeden reprák hrál asi hodinu, což může být příčinou změřených rozdílů, ale samozřejmě tu jsou i výrobní tolerance.
      Impedanční charakteristiku jsem změřil nejprve klasicky pomocí sinusového generátoru a osciloskopu, abych mohl potom porovnávat. Mezi generátorem a reproduktorem jsem dal do série odpor 100 Ω (žádný dráťák, musí mít malou vlastní indukčnost, stačí 1/8 W) a měřil napětí na odporu a na výstupu generátoru. Z toho jsem dopočítal proud odporem, napětí na repráku a impedanci repráku. Frekvenci jsem měřil v celém akustickém pásmu a ještě kus za, kolem rezonance jemně, abych co nejpřesněji určil fs = 63 Hz. Výsledky měření jsou zde.
      Dnes doba pokročila a spoustu měření si lze usnadnit pomocí počítače. Zde stačí celkem obyčejná zvuková karta a program LIMP, který je součástí balíku ARTA. LIMP měří impedanční charakteristiku ve frekvenční oblasti pomocí generátoru růžového šumu, který se převede FFT do spektra a průměruje. Díky tomu je měření velice rychlé, odpadá přelaďování generátoru jako při měření v časové oblasti. Díky Antoniovi za podrobný návod na nastavení programu a měření. Schéma zapojení je na 1. obrázku v 1. příspěvku. Line-out zvukové karty slouží jako výstup generátoru (levý a pravý kanál jsou spojené dohromady) a Line-in slouží jako měřící vstupy (levý kanál měří přímo výstup Line-out, pravý kanál měří napětí na reproduktoru za 100Ω odporem). K měřícímu postupu mám jen pár poznámek:
schéma přípravku pro měření impedance přípravek pro měření impedance

A zde už jsou naměřené impedanční charakteristiky obou reproduktorů. Jak je vidět, fs se liší o 3,5 Hz. V obou případech je to vyšší hodnota než v katalogu, ale předpokládám, že se ještě rozehrajou.

impedanční charakteristiky mého páru IRB 16/60/01,8
impedanční charakteristiky mého páru IRB 16/60/01,8

      Pro odměření všech TS parametrů je potřeba ještě provést druhé měření impedanční charakteristiky s uměle zvýšenou hmotností kmitacího systému. To se běžně realizuje pomocí malého závažíčka připevněného na membránu. Já jsem použil vzhledem k velikosti repráku 10g závažíčko přilepené páskou k lakovanému vrchlíku. U papírových repráků dejte pozor na příliš přilnavou pásku, aby nedošlo při odlepování k nehodě. A zde je dvojce impedančních charakteristik 1. reproduktoru, kde fs po zatížení klesla z 58,1 Hz na 43,5 Hz.

impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 při měření TS parametrů
impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 při měření TS parametrů

repro: IRB 16 1. IRB 16 2. katalog
fs [Hz] 58,07 61,52 56,20
Re [Ω] 7,25 7,25 7,33
Le [µH] 318,75 335,33 410,00
L2 [µH] 357,56 406,81 -
R2 [Ω] 9,82 11,05 -
Qts [-] 0,55 0,58 0,54
Qes [-] 0,81 0,85 0,70
Qms [-] 1,76 1,84 2,31
Mms [g] 13,64 14,08 13,49
Rms [kg/s] 2,833588 2,958694 2,060000
Cms [m/N] 0,000551 0,000475 0,000595
Vas [l] 11,65 10,06 11,80
Sd [cm2] 122,72 122,72 119,00
Bl [Tm] 6,684228 6,817966 7,05
ETA [%] 0,27 0,27 0,29
Lp [dB] 86,87 86,77 88,00

      Vypočtené TS parametry v porovnání s katalogovými údaji jsou v tabulce výše. Zde jsou ke stažení naměřená data ve formátu LIMP pro 1. a 2. reproduktor a zde impedanční charakteristiky v plain textu pro 1. a 2. reproduktor. Až budu mít konečně výškáče, tak to ještě přeměřím v uzavřené bedně s tlumicím filcem.

      18.1.2013 Konečně mi po měsící a půl dorazily z GESu objednané výškáče Monacor DT-300. V LIMPu jsem odměřil impedanční charakteristiky a základní TS parametry obou volně ložených reproduktorů. Jak je vidět, impedanční charakteristika vykazuje 2 maxima, jedno velmi slabé kolem 735 Hz a jedno ostřejší na 1254 Hz. Oba reproduktory se od sebe trochu liší, partně rozptyl vnitřního tlumení ve výrobě. Zde jsou ke stažení naměřená data ve formátu LIMP pro 1. a 2. reproduktor a zde impedanční charakteristiky v plain textu pro 1. a 2. reproduktor.

impedanční charakteristiky mého páru DT-300
impedanční charakteristiky mého páru DT-300

repro: DT-300 1. DT-300 2. katalog
fs1 [Hz] 735 735 750
fs2 [Hz] 1254 1341 -
Re [Ω] 7,1 7,2 -
Le [µH] 35,19 17,78 -
L2 [µH] 53,42 63,26 -
Qts [-] 0,33 0,22 -
Qes [-] 0,75 0,51 -
Qms [-] 0,60 0,39 -

      27.1.2013 Bohužel jak jsem se později dozvěděl, tyto reproduktory trpí dosti nerovnoměrnou kvalitou mechanického zpracování a pro zlepšení jejich parametrů se doporučuje provést tuto modifikaci. Ta spočívá v odsátí ferrofluidu z mezery magnetického obvodu (díky nesymetrii je jeho rozložení nehomogenní a zvyšuje zkreslení, avšak při vyšších výkonech pomáhá chladit kmitačku) a částečném odtlumení prostoru uvnitř dutého pólového nástavce, který je přelepen filcovým kolečkem, čímž klesne vlastní rezonanční frekvence. Také se doporučuje zkontrolovat přívody ke kmitačce, jestli nejsou napnuté a nebrání tak ve volném pohybu membrány.
      Po váhání jsem se do této modifikace nakonec pustil a děkuji Checkovi, který už několik těchto reproduktorů modoval, za poskytnutí užitečných rad. Odšrouboval jsem 4 šrouby na přední plastové desce a sundal ji. Pak lze snadno sundat i další plastové mezikruží nesoucí kmitačku a kontakty. Předem je dobré si poznačit vzájemnou orientaci dílů. Mezikruží kmitačky má 2 středicí otvory, které těsně pasují na 2 kolíky magnetu, takže jej lze nasadit jen ve dvou různých polohách. Vzhledem k tomu, že pólový nástavec může být vyosený nebo křivý, vyplatí se vyzkoušet obě polohy. Ferrofluid jsem z mezery odsál pomocí papírků, moc ho tam nebylo. Hadříkem jsem očistil opatrně kmitačku a hliníkový former.

DT-300 - odsátí ferrofluidu DT-300 - dutina v pólovém nástavci DT-300 - nové tlumení DT-300 - po úpravě DT-300 - měření zkreslení

      Pak jsem žiletkou odříznul filcové kolečko na magnetu, do dutiny pólového nástavce jsem nacpal vatu a zkoušel měřit v LIMPu impedanční charakteristiku. Ta na sílu tlumení vatou reaguje dosti citlivě. Při malém tlumení má charakteristika 2 peaky, kde je výrazně dominantní ten nižší okolo 500 Hz. Naopak při velkém tlumení může dolní peak zmizet a zůstane dominantní ten v okolí 1 kHz. Nakonec jsem vatu nahradil řidším vláknitým materiálem, který jsem používal na vnitřní tlumení reprobedny. Tím jsem dosáhl dominantního dolního maxima na 463 Hz s hodnotou 20 Ω, zhruba podobného tvaru jako má autor původního modu. Na čelo pólového nástavce jsem nalepil mezikruží z černého filcu tloušťky asi 1 mm.

impedanční charakteristiky upraveného DT-300
impedanční charakteristiky upraveného DT-300

      Přívodní drátky se mi zdály, že by mohly dávat kmitačce trochu větší vůli a tak jsem se je pokusil povytáhnout. Jenže jsou pevně zalepené v plastovém mezikruží a proto jsem se je opatrně pokusil při popotahování pinzetou nahřát hrotem mikropájky. Před tím však důrazně varuju. Nevšiml jsem si totiž, že to není jen tak obyčejný drátek, ale nějaké umělé vlákno (naštěstí tepelně dost odolné), kolem nějž je spirálově navinutá strašně jemná kovová fólie. K mojí smůle jsem ji při manipulaci poškodil, což při pozdějším měření a zatížení větším výkonem vyústilo v to, že ten poslední zbyteček fólie tepelným namáháním uhořel. Pak jsem měl pěkně horkou chvilku, kdy jsem to asi hodinu pod lupou dával dohromady. Drátek jsem musel popotáhnout, napojit a nakonec opatrně zafixovat lepidlem. 10-minutový zátěžový test při 4,5 W (6,0 V RMS) @1 kHz to vydrželo 10 minut, tak snad to bude OK.
      Pro další ladění beden, měření výhybky a zkreslení reproduktorů jsem si vyrobil měřící mikrofon s předzesilovačem, který připojuju do line-in zvukové karty SoundBlaster Audigy 2. Zkreslení lze měřit pomocí javového programu REW (Room EQ Wizard) 5.01 beta 13 (ve starší oficiální verzi 5.0 ještě položka "Distortion" není), nebo programem STEPS z balíku ARTA. REW používá pro měření spojitě rozmítanou sinusovku, zatímco STEPS měří po diskrétních krocích (pro výškáče by mělo stačit 50 - 100 ms / krok), což je podstatně zdlouhavější, ale asi zas přesnější. STEPS umí ukázat i THD v %, oba programy ukazují jednotlivé harmonické složky. Měření zkreslení se obvykle provádí pří výkonu 1 W (2,83 V RMS pro 8 Ω) ze vzdálenosti asi 20 cm v ose reproduktoru, který je buď volně ložený nebo umístěný v deskové ozvučnici. Musím dodat, že 1 W RMS působí v malé místnosti už dost solidní kravál, že jsem se z toho chytal za uši. Taky jsem zjistil, že se mi už začínal silným signálem přebuzovat mikrofonní předzesilovač, což začalo způsobovat zkreslení samo o sobě. Vstup zvukovky přitom ještě přebuzen nebyl, proto jsem si zpočátku nevšiml clippingu. Zisk předzesilovače jsem zkusmo snížil z 30 na 12,5 dB a pak už to bylo v pořádku.
      Různou změnou orientace kmitačky vůči magnetu a vzájemným prohozením kmitaček a magnetů obou reproduktorů jsem se snažil najít optimální středění s minimálním zkreslením. Ale moc se mi to nedařilo. Jeden z reproduktorů byl vždy znatelně horší. Také jsem záhy zjistil, že při nízkých frekvencích 150 - 300 Hz, kdy je poměrně velká výchylka membrány, začne reproduktor odporně bzučet, jak tam former v mezeře začne o něco drhnout. Tohoto jevu jsem se nebyl schopen zbavit jednoduchou změnou orientace kmitačky na magnetu, takže jsem byl nucen zvětšit otvory pro středicí kolíky na 3,2 mm a otvory pro šrouby na 4,5 mm. Pak jsem při zapnutém generátoru jemně posouval a přitlačoval plastové mezikruží s kmitačkou dokud pazvuky neustaly a tón se mi zdál subjektivně spektrálně čistý (minimalizace vyšších harmonických). Pak jsem mezikruží zafixoval zatavením středicích děr na kolíkách mikropájkou a po nasazení vrchního dílu festovně sešrouboval a znovu odzkoušel a přeměřil zkreslení. U prvního reproduktoru se mi to podařilo celkem snadno, u druhého dost s obtížemi, patrně je to excentrický/křivý šmejd. Zde jsou výsledky měření zkreslení před úpravou (pouze při 0,8 Vpp - 10 mW) a po úpravě (při 2,8 V RMS - 1 W). Pro srovnání jsem změřil i výškáče Tesla ARV 3604 a TVM ARV-104-00-4:

zkreslení Monacor DT-300-1 original @0,8Vpp zkreslení Monacor DT-300-1 bez ferrofluidu @0,8Vpp zkreslení Monacor DT-300-1 bez ferrofluidu @2,8V RMS zkreslení TVM ARV-104-00-4 @2,8V RMS
DT-300-1 original DT-300-1 bez FF DT-300-1 @2,8V ARV-104-00 @2,8V
zkreslení Monacor DT-300-2 original @0,8Vpp zkreslení Monacor DT-300-2 bez ferrofluidu @0,8Vpp zkreslení Monacor DT-300-2 bez ferrofluidu @2,8V RMS zkreslení Tesla ARV 3604 @2,8V RMS
DT-300-2 original DT-300-2 bez FF DT-300-2 @2,8V ARV 3604 @2,8V

      Do toho se mi povedlo ještě upálit poškozený přívodní drátek kmitačky také prvního reproduktoru. To už jsem se naštval, protože tímhle babráním jsem zabil spoustu času a nikam to moc nevedlo. Měl jsem asi rovnou poslechnout radu MethMana, že je mám hodit do koše... Nakonec jsem se rozhodl objednat výše zmíněné výškáče VIFA DX25TG09-04, tak snad to bude lepší. Jmenovitá impedance 4 Ω mi nijak nevadí, stejně je budu kvůli vyšší citlivosti tlumit odpory. Bohužel rozměry těchto výškáčů jsou o něco menší (průměr faceplate 104 vs 116 mm) a díry už mám hotové, tak budu muset nějak vymyslet mechanické uchycení...

      10.2.2013 jsem rozkuchal jednu svou starou reprobednu a provedl výměnu čelní desky. Tu jsem přelepil černou matnou samolepící fólií a namontoval reproduktory. Dovnitř jsem dal zpátky tlumicí materiál a zadekloval. Byl jsem zvědav, jak dopadne měření impedanční charakteristiky IRB 16 - kam se posune rezonanční peak fs' proti simulaci. Tentokrát se WinISD nemýlil, naměřil jsem 75,3 Hz (vypočteno 77 Hz). Měření jsem ještě zopakoval bez vnitřního tlumení, ale změna byla celkem zanedbatelná - posun peaku o 2 Hz a 1 Ω výše. Zřejmě je tlumicí materiál příliš prodyšný, příště zkusím více přitlumit (samozřejmě se to nesmí přehnat, jinak by zas fs' vylezlo).

impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 v reprobedně
impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 v reprobedně (zelená) a venku

      20.2.2013 Protože mi vrtalo hlavou, jak se bude měnit fs' při dalším zatlumování vnitřku bedny, provedl jsem sérii 4 měření. První je zcela bez tlumení, druhé s 5cm vrstvou, třetí s 5+10cm vrstvou a čtvrté s 5+10+10cm vrstvou tlumícího materiálu, kterou jem už musel dovnitř pěkně sešlápnout. Rezonanční peak se postupně posouval ze 77,5 Hz přes 75,3 Hz až na 72,1 Hz a pak zase mírně povylezl na 72,4 Hz. Zmax a Qt přitom stále klesalo. Zde je vidět, že jsem našel kritický bod s minimálním fs', přes který by se asi už víc tlumit nemělo (pokud nepotřebujeme ještě dále snížit Qt a vyhladit případný hrbol na frekvenční charakteristice, ale to není tento případ).

změna impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 v reprobedně v závislosti na tlumení
změna impedanční charakteristiky IRB 16/60/01,8 v reprobedně v závislosti na tlumení

      Byl jsem též zvědav, jak se tyto změny projeví na frekvenční charakteristice. Protože jsem potřeboval měřit hlavně nízké frekvence, kde by mi v HOLMImpulse nestačilo časové okno, měřil jsem kvůli potlačení odrazů v místnosti jen blízké akustické pole z min. vzdálenosti měřícího mikrofonu 1 cm v ose od prachovky středobasu při napětí 1 V RMS programem REW 5.01 beta 13. Zároveň jsem si tím změřil i zkreslení středobasu. Jak je vidět, frekvenční charakteristiky se liší minimálně, při větším tlumení je koleno kolem 100 Hz trošku plošší. V případě nezatlumené bedny jsou vidět na charakteristice zuby způsobené parazitními kmity stojatého vlnění. Takže rozhodně tlumit, ale zbytečně to nepřehánět.

zkreslení a f-char IRB 16 @1V RMS v nezatlumené bedně zkreslení a f-char IRB 16 @1V RMS v zatlumené bedně 5cm vrstvou zkreslení a f-char IRB 16 @1V RMS v zatlumené bedně 15cm vrstvou zkreslení a f-char IRB 16 @1V RMS v zatlumené bedně 25cm vrstvou (smáčknuto)
bez tlumení @1V tlumení 5 cm @1V tlumení 15 cm @1V tlumení 25 cm @1V

      13.2.2013 dorazily z Holandska nové výškáče VIFA DX25TG09-04. Tomu říkám docela fofr, v neděli jsem udělal objednávku na e-shopu, zaplatil PayPalem a za 3 dny je mám v ruce. U nás na divokém východě jsme holt ještě 100 let za opicema. Celá tahle sranda mě vyšla i s poštovným na 1444,- Kč. V LIMPu jsem odměřil impedanční charakteristiky a základní TS parametry obou volně ložených reproduktorů. Impedanční charakteristika má klasicky jediné maximum, 1. reproduktor na 671 Hz, 13,2 Ω a druhý reproduktor na 703 Hz, 15,0 Ω. Oba se od sebe trochu liší, patrně rozptyl vnitřního tlumení ve výrobě. Zde jsou ke stažení naměřená data ve formátu LIMP pro 1. a 2. reproduktor a zde impedanční charakteristiky v plain textu pro 1. a 2. reproduktor.

impedanční charakteristiky mého páru DX25TG09-04
impedanční charakteristiky mého páru DX25TG09-04

repro: DX25TG09-04 1. DX25TG09-04 2. katalog
fs [Hz] 671 703 703
Re [Ω] 3,3 3,3 3,0
Le [µH] 17,56 18,85 20
L2 [µH] 21,35 22,84 -
Qts [-] 0,67 0,67 0,58
Qes [-] 0,89 0,85 0,69
Qms [-] 2,66 3,03 3,43

      Dále jsem změřil zkreslení volně ložených reproduktorů programem REW 5.01 beta 13 ze vzdálenosti 20 cm v ose při výkonu 1 W (2,0 V RMS pro 4 Ω). Jak je vidět, dominantní složkou je druhá harmonická, ostatní jsou hluboko pod ní. Od 2 kHz níže klesá citlivost a roste zkreslení (zřejmě vlivem tlumení ferrofluidu - nechám ho však raději na místě), takže tam by to už měla odříznout výhybka. Spektra obou reproduktorů se nijak zásadně neliší.

VIFA DX25TG09-04 front VIFA DX25TG09-04 back zkreslení VIFA DX25TG09-04-1 @2,0V RMS zkreslení VIFA DX25TG09-04-2 @2,0V RMS
DX25TG09-04 DX25TG09-04 DX25TG09-04-1 DX25TG09-04-2

      15.2.2013 Dalším krokem bude návrh a měření 2-pásmové výhybky 2. řádu (strmost 12 dB/okt.). V současnosti existuje celá řada více či méně složitých návrhových a simulačních programů. Zatím jsem s žádným nepracoval, takže mám o zábavu postaráno. U nás jsou asi nejpoužívanější programy LspCAD a Xover (freeware). Pro první nástřel lze použít např. tento jednoduchý online kalkulátor výhybek. Zadal jsem typ 2. řádu Linkwitz-Riley (plochá frekvenční charakteristika v dělícím bodě), dělící frekvenci 2 kHz a obě impedance 8 Ω (výškáč budu tlumit odporem) a vypadlo mi toto:
první nástřel výhybky
      Protože u výhybky 2. řádu bude teoreticky na dělící frekvenci vzájemný fázový posuv obou reproduktorů 180°, vykompenzuje se tento posuv změnou polarity jednoho reproduktoru. Tyto výpočty naivně předpokládají, že filtr bude zatížen jednoduchou odporovou zátěží. Reproduktor se ale chová o dost složitěji. Proto třeba program Xover umožňuje načíst změřené impedanční charakteristiky (textový formát TXT nebo ZMA vyexportovaný z LIMPu), které využívá při simulaci. Abychom se s reproduktorem více přiblížili odporové zátěži, lze provést 2 typy kompenzací. Jednak vyrovnání růstu impedance |Z|(f) na vyšších frekvencích způsobené indukčností kmitačky, které se kompenzuje inverzně se chovajícím sériovým RC článkem připojeným paralelně k reproduktoru a druhak kompenzace rezonančního peaku, který je daný mechanickými parametry reproduktoru a ozvučnice. Ten lze částečně tlumit mechanicky (tlumicí výplň reprobedny) nebo elektricky pomocí sériového rezonančního RLC obvodu (ten má v rezonanci minimální impedanci = R) připojeného paralelně k reproduktoru . Zde však vychází obludně velká kapacita kondenzátoru řádu stovek µF, což vede na použití bipolárních elektrolytů. Navíc, co jsem četl, tak u 6,5" středobasu to nemá cenu řešit (zvlnění zlomky dB), to až u větších reproduktorů. Ne vždy je ale žádoucí všechno kompenzovat do "placky", je to složitější...
      Pro návrh tlumivky podle zadané indukčnosti lze použít např. tento online kalkulátor vzduchových válcových cívek. K tomu je potřeba ještě AWG tabulka průměrů drátů. Na použití feromagnetického jádra radši zapomeňte, je nelineární a při poddimenzování může docházet k přesycení. Vzduchová tlumivka zas vychází poměrně veliká, což znamená velký SS odpor. Hned jsem začal přemýšlet o tom, že určitě existují nějaké optimální proporce cívky, kdy při dané délce drátu dostanu maximální indukčnost. Jak jsem zjistil, tak už to za mě vymyslel roku 1931 pan Brooks. Jeho ideální cívka má čtvercový průřez vinutí A*A a střední poloměr rovný 3/2 délky strany vinutí A. Indukčnost lze spočítat takto:
L = 0,025491*A*N2 [µH; cm, -]
L = 0,016994*r*N2 [µH; cm, -]
Brooksova cívka

      Chvíli jsem si hrál s kalkulátorem a pro požadovanou indukčnost 1,3 mH mi vyšla spotřeba asi 18,5 m AWG 17 (1,15 mm) drátu se SS odporem 0,3 Ω. To není zrovna málo vzhledem k SS odporu kmitačky reproduktoru. Tím jsem si jen potvrdil názor na různé "zasvěcené" Hi-Fi diskuse, kde se porovnávají tloušťky a počet devítek čistoty bezkyslíkaté mědi reprokabelů a činitele tlumení zesilovačů jako pindíky a přitom se nikdo z diskutujících nezmínil o použité tlumivce ve svých reprobednách, která tu snahu o nejlepší elektrické tlumení reproduktoru svým odporem zabije. Celkem běžný tranzistorový zesilovač má DF tak 50 - 100 (vnitřní odpor 40 - 80 mΩ) a obyčejný 4mm2 reprokabel má odpor cca 45 mΩ na 5 m. Takže je jasné, kde je nejslabší článek řetězce. Tento problém dokonale řeší aktivní výhybka, nejlépe se zesilovačem vestavěným přímo v reprobedně, ale o tom tenhle článek není. Nechtěl jsem to hnát zas moc do extrému a tak jsem koupil (pro sichr) 50 m CuL drátu 1,18 mm za 178,- Kč (0,55 kg), který mi odvinul jeden ochotný pán v opravně motorů SEMOT. SS odpor pro tlumivku výškového reproduktoru už není tak kritický.

      16.2.2013 Pro simulaci výhybky jsem se rozhodl napřed zkusit jednodušší program Xover. Do něj sem překreslil základní schéma s nastřelenými hodnotami součástek a natáhnul změřené impedanční charakteristiky reproduktorů. Program Xover pak spočítá výslednou impedanční charakteristiku a přenosy obou větví filtru. Zde krásně vidíme, že má reproduktor opravdu daleko do ideální odporové zátěže a v důsledku toho to filtry pěkně rozhodilo. Dělící frekvence fd se posunula spíše někam ke 3 - 4 kHz a průběh přenosu pro výškáč je poznamenaný rezonančním zdvihem na 700 Hz. Celková impedance by neměla nikde klesnout pod 8 Ω Fázový rozdíl výškáče a středobasu na fd je skutečně kolem 180°, takže je potřeba prohodit polaritu (jak znázorňují tečky u reproduktorů ve schématu).

simulace prvního nástřelu výhybky v Xoveru

simulace prvního nástřelu výhybky v Xoveru-přenos filtru

simulace prvního nástřelu výhybky v Xoveru-výsledná impedance

simulace výhybky s reálnými charakteristikami-výsledná frekvenční charakteristika

      Aby filtry začaly nějak fungovat, pokusil jsem se částečně kompenzovat impedanční charakteristiky reproduktorů, viz výše. Na rezonanční peak středobasu kašlu, přidal jsem pouze RC článek pro vyšší frekvence R1, C2. Kapacitu C1 jsem musel zdvojnásobit, aby to začalo dělit tam, kde má. U výškového reproduktoru jsem přidal SRO R3, L3, C5 pro kompenzaci rezonančního peaku na 700 Hz a upravil hodnoty C3, L2 abych posunul dělící frekvenci v souladu se středobasem. Nakonec jsem přemostil R2 menším kondíkem pro mírný zdvih na nejvyšších frekvencích výškáče. Avšak nelíbí se mi, že fázový rozdíl reproduktorů na fd vzrostl na nějakých 220°, nevím jak moc to může vadit. Možná ještě horní propust předělám na 3. řád. Také bude nezbytná kontrola měřením, ale to až budu mít mechanicky vyřešené usazení nových výškáčů.

simulace výhybky s kompenzací v Xoveru-schéma

simulace výhybky s kompenzací v Xoveru-výsledná impedance

simulace výhybky s kompenzací v Xoveru-přenos filtru

      24.2.2013 Pro nové výškáče jsem si nechal vysoustružit plastová mezikruží o vnitřním průměru 104 mm a vnějším průměru 116 mm, která jsem vnitřním okrajem k výškáčům přilepil epoxidem. Frézkou jsem udělal zahloubení pro hlavy šroubů v místech, kde je měly původní výškáče DT-300 a do přední desky jsem vyvrtal 5 děr podle nového výškáče, takže celkem drží na 9 šroubech M4. Oba reproduktory jsem tak definitivně zamontoval do bedny, utěsnil je po krajích, přidal tlumicí materiál a zavřel dekl. Na zadní straně reprobedny mám vyvedené 2 hlavní a 3 pomocné reprosvorky. Středobas a výškáč jsem si tedy pro zatím připojil nezávisle na různé svorky. To se bude hodit pro ladění reálné výhybky, kterou jednoduše připojím zvenku, abych nemusel pořád do bedny lézt.

čelní deska s repro-final, zepředu čelní deska s repro-final, z boku kostřičky na cívky navinutá vzduchová tlumivka 2mH

      Pro navinutí vzduchových tlumivek jsem si vyrobil 4 kostřičky. Střed je z kousku plastové vodovodní trubky o vnějším průměru 20 mm a čela ze 4mm plexiskla, která jsou přilepená epoxidem. Neškodí použít ještě tlustší materiál, protože vinutí působí na čela docela velkým bočním tlakem. Při prvním vinutí mi jeden lepený spoj nevydržel a čelo vyskočilo. Proporce vinutí jsem oproti Brooksově cívce trochu rozplácnul (výška vinutí 14 mm), protože podle výpočtu pak vycházela indukčnost o něco větší. Podle simulace níže jsem potřeboval dosáhnout větší indukčnosti kolem 2 mH, takže jsem použil celých 25 m drátu. K tomu jsem ještě vnitřek navinul pár metry tenčího drátu 1,0 mm. Naštěstí indukčnost roste kvadraticky s počtem závitů, takže ke konci to začne rychle přibývat. V reálu se mi nepodařilo dosáhnout tak velké hustoty plnění vinutí, tudíž vnější průměr vyšel větší než podle výpočtu - cca 7,2 cm a spotřeboval jsem více drátu, tzn. větší SS odpor. Podle digitálního RLC můstku jsem naměřil výslednou indukčnost 2,02 mH a SS odpor 0,64 Ω. Celý ten bazmek váží 379 g, což už vyžaduje robustní uchycení.
      Pro další krok v simulaci výhybky je nutné změřit skutečné frekvenční charakteristiky reproduktorů zabudovaných do reprobedny, které se staly nedílnou součástí celku. A to nejen v ose, ale i mimo osu (horizontálně i vertikálně) reproduktorů. Čím více měření, tím lépe. Pro začátek jsem se omezil pouze na měření v ose a 45° horizontálně. Vzhledem velikosti místnosti jsem měřil z 60 cm a musel jsem použít kratší časové okno. Použil jsem k tomu svůj měřící mikrofon s předzesilovačem a program HOLMImpulse. Ten změří impulsovou odezvu (nikoliv diracem ale rychlým frekvenčně modulovaným hvizdem), z které je nutné časovým oknem odříznout průběh za prvním odrazem od stěn, stropu a podlahy místnosti a nábytku. Hranice časového okna jsou plně uživatelsky nastavitelné. Z impulsové odezvy se pak diskrétní Fourierovu transformací vypočítá frekvenční charakteristika. Čím je okno kratší, tím horší rozlišení směrem k nízkým frekvencím. V místnosti běžných rozměrů nelze počítat s měřením nízkých frekvencí okolo fs' basáku, ale pro oblast dělící frekvence výhybky to už postačí.
      Vypočtenou frekvenční charakteristiku lze vyexportovat do textového souboru pro program Xover. Na kartě "Measurements" klikni na tlačítko "Export" a v okně "Export response to file" zaklikni volby "Custom format", "Export Phase", "Degrees", "Unwrap Phase". Rozlišení postačí 1000 bodů v logaritmické škále. Na kartě "Text Options" nastav oddělovač sloupců na mezery a tečky pro desetinná čísla. Zpět na kartu "Frequency", vyplň jméno souboru a klikni na "Export Frequency Response". Jméno souboru je vhodné dodržovat ve formátu *_h_??.txt a *_v_??.txt pro horizontální a vertikální varianty charakteristik, kde ?? je číslo ve stupních. Zde jsou moje naměřené frekvenční charakteristiky obou reproduktorů.

frekvenční charakteristika IRB 16 v bedně (v ose a pro 45-deg z 60 cm)
frekvenční charakteristika IRB 16/60/01,8 v bedně (v ose a pro 45° z 60 cm)

frekvenční charakteristika DX25TG09-04 v bedně (v ose a pro 45-deg z 60 cm)
frekvenční charakteristika DX25TG09-04 v bedně (v ose a pro 45° z 60 cm)

      Po té jsem naměřené frekvenční charakteristiky načetl do Xoveru a ladil parametry výhybky. Pokud se náhodou frekvenční charakteristika nezobrazuje, zkontroluj měřítko a meze na amplitudové ose (já jsem měl výchozí zobrazení jaksi mimo - tuším jen pro kladné decibely a hned jsem si toho nevšiml). Nakonec jsem pro výškáč použil horní propust 3. řádu. Ta už je dostatečně strmá, že není až tak nutné kompenzovat rezonanční peak výškáče sériovým RLC článkem. Fázový posuv středobasu proti výškáči by měl být kolem 270°, takže oba reproduktory zůstanou polarizované souhlasně. Hodnoty součástek jsem upravil tak, abych dostal zhruba vyrovnanou výslednou frekvenční charakteristiku a aby na impedanční charakteristice nebyl nikde pokles pod 8 Ω. Skvělým pomocníkem v Xoveru je funkce (tlačítko) Tweak, která umožňuje šoupátkem rychle měnit hodnotu vybrané součástky a zároveň realtime přepočítává všechny zobrazované charakteristiky. Teď už jen zbývá výhybku postavit a odměřit jako celek a provést případné korekce.

simulace výhybky s reálnými charakteristikami-schéma

simulace výhybky s reálnými charakteristikami-výsledná impedance

simulace výhybky s reálnými charakteristikami-přenos filtru

simulace výhybky s reálnými charakteristikami-výsledná frekvenční charakteristika

      3.3.2013 Podle návrhu výše jsem postavil skutečnou výhybku. Na druhou tlumivku L2 jsem doma nenašel dostatek vhodného drátu, takže jsem ji provizorně navinul z 0,55mm drátu, čímž vzrostl výsledný odpor tlumivky na 1,1 Ω. To už je vzhledem k impedanci reproduktoru docela dost, avšak byl jsem nedočkavý na výsledek měření. Výhybku jsem poskládal na destičku 18,5 x 9,5 cm z 6mm plexiskla s několika pájecími očky. Dělat pro takový jednoduchý obvod plošňák mi přišlo jako plýtvání kuprexitem, navíc nemá takovou mechanickou pevnost (tlumivka L1 je docela těžká). Všechny použité kondenzátory jsou polyesterové fóliové na napětí 100 - 250 VDC (něco ze zásob, něco z TME. Lepší by byly polypropylenové, ale ty stojí při kapacitě řádu 10 µF několik stovek a i tak to bude lepší, než původní teslácké MP krabice. Pokud nevíte co s penězi nebo se chcete pobavit, tak odkážu na toto vlákno. Odpory postačí 5W drátové, neměly by se vůbec hřát.
UPDATE: levnější polypropylenové kondíky Bennic pro audio (a také odpory a menší tlumivky) lze koupit v ProDance, s křížkem po funuse...

reproduktorová výhybka-zvrchu reproduktorová výhybka-z boku reproduktorová výhybka-zespoda

      Výhybku jsem připojil zveku přes 2 páry svorek k reprobedně a změřil v HOLMImpulse frekvenční charakteristiky. Měřil jsem ze vzdálenosti 78 cm od osy výškáče, horizontálně v úhlech 0°, 30°, 60° a vertikálně v úhlech 0°, -15°, -30° (směrem k podlaze). Potěšilo mě, že výsledek docela dobře odpovídá simulaci a zvlnění se vejde do ±3 dB tolerančního pásma. V LIMPu jsem změřil výslednou impedanční charakteristiku - impedance nikde neklesne pod 7,5 Ω.

frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (horizontálně v ose a pro 30 a 60-deg z 90 cm)
frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (horizontálně pro 0°, 30°, 60° z 90 cm)

frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (vertikálně v ose a pro -15 a -30-deg z 90 cm)
frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (vertikálně pro 0°, -15°, -30° z 90 cm)

frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (výškáč ve fázi a v protifázi)
frekvenční charakteristika 1. reprobedny s výhybkou (výškáč ve fázi a v protifázi)

celková impedanční charakteristika obou reprobednen (s výhybkou)
celková impedanční charakteristika obou reprobednen (s výhybkou)

      10.3.2013 Zkoušel jsem ještě poladit parametry výhybky, ale prostou změnou hodnot součástek se to už nijak vylepšit nedá a nechci to zbytečně komplikovat, takže zapojení výše jsem prohlásil za finální. O víkendu jsem provedl ještě jedno přeměření reprobedny při lepším umístění v prostoru (aktualizoval jsem obrázky výše). Vyzkoušel jsem také, jak se projeví změna polarity výškáče - je zde patrný veliký propad na středech (což umí program Xover také nasimulovat). Dále jsem se pustil do předělávky druhé reprobedny. Původní obsah jsem vyvrhnul a osadil novou čelní desku a do ní reproduktory. Teď ještě zreplikovat výhybku.

      16.3.2013 Během týdne jsem navinul tlumivky a zkonstruoval druhou výhybku. O víkendu jsem ji zamontoval do druhé reprobedny, vyplnil vnitřek tlumicím materiálem a zadekloval. Změřil jsem impedanční charakteristiku, která se od první bedny lišila jen minimálně, viz obrázek výše, kde jsou obě v jednom grafu. Sadu frekvenčních charakteristik v obou směrech jsem se pokusil naměřit v co nejshodnějších podmínkách a rozmístění jako jsem měřil první reprobednu. Jisté odchylky lze najít, ale jde jen o pár dB. Také jsem se pokusil o měření blízkého pole, kde jsem mikrofon umístil do středu spojnice os středobasu a výškáče ve vzdálenosti 3 cm od čelní desky. Odlišnosti jsou znatelné hlavně u průběhu vyšších harmonických.
      Povrchovou úpravu reprobeden jsem dokončil polepením černou matnou samolepící fólií na bočních stěnách, umístil je do pokoje a připojil (správně sfázované) k zesilovači. Konečně jsem se mohl začít věnovat poslechu. Subjektivní dojem oproti předchozí 3-pásmové konstrukci je na první poslech pozitivní: basy tak nehučí a neslévají se v rychlých pasážích bicích, středy a výšky jsou čistší. Dokonce teď ani nemám nutkání příliš vytáčet tónové korekce doprava, dá se to poslouchat i na "flat". Výkonová rezerva je pro mě dostatečná, při běžném poslechu není téměř vidět pohyb membrány středobasu, když ji rozpohybuju naplno, tak o tom už ví asi celý barák :)

reprobedna-vnitřek s výhybkou hotová reprobedna frekvenční charakteristika1-nearfield 3cm mezi repro frekvenční charakteristika2-nearfield 3cm mezi repro
vnitřek předek NF f-char. 1 NF f-char. 2

frekvenční charakteristika 2. reprobedny s výhybkou (horizontálně v ose a pro 30 a 60-deg z 90 cm)
frekvenční charakteristika 2. reprobedny s výhybkou (horizontálně pro 0°, 30°, 60° z 90 cm)

frekvenční charakteristika 2. reprobedny s výhybkou (vertikálně v ose a pro -15 a -30-deg z 90 cm)
frekvenční charakteristika 2. reprobedny s výhybkou (vertikálně pro 0°, -15°, -30° z 90 cm)



Zpět

Aktualizováno 18.3.2013 v 10:34

„Nedostane-li žena koho chce, běda tomu, koho dostane.“ Mark Twain