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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


● 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


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


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?


● 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


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


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



● 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



● 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

]


-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


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 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


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


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


● 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


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


Aufbau

zweite Sicke verklebt

Verlegung der VC-Zuleitungen in der Sickeninnenseite

Die Deckplatte schwebt aufgrund der sich abstoßenden Magnetringe

TIMAG-Chassis komplett


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


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)


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


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)


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


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


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

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