Verslagen Radiocafé

Verslag 10 augustus 2010: Luidsprekers en cross-over filters

Even leek het er op dat er deze keer maar weinig bezoekers zouden komen, maar tegen achten werd het zelfs druk. Ook deze keer leden van het NGG en ook Paulides was weer terug van een verre vakantie die zelfs weer iets nieuws meebracht.

Een met punaises als draadsteunen opgebouwde schakeling met transistoren op een wit gelakt plankje. Even over achten kon dan ook de lezing beginnen voor een overvol zaaltje. Voor heel wat mensen is het bouwen van luidsprekerkasten in allerlei mogelijke ingewikkelde constructies een liefhebberij. Natuurlijk is er minstens één luidspreker nodig.

Vaak komt de keuze van het type op de laatste plaats en er is weinig technische kennis voor nodig om twee draden te verbinden aan een luidsprekeraansluiting. Toch zijn er nog lieden die daar toch nog enige moeite mee hebben. Zo vertelde iemand mij dat een versterker eigenlijk een wisselstroom accu is en je er moet opletten dat de rode stip of plusteken op de luidspreker juist wordt verbonden met de uitgang van de versterker.

Een ander kwam lang geleden bij mij langs met een 8 inch Goodman luidspreker met een spreekspoelimpedantie van 4 Ω. De luidspreker gaf geen enkel geluid. Of ik er eens naar wilde kijken. Volgens hem was de luidspreker ruim 45 W dus moest toch wel tegen een stootje kunnen. Op mijn vraag hoe hij er bij komt dat deze toch wat simpele luidspreker 45 W zou zijn, kreeg ik als antwoord: “Ik heb hem aangesloten in serie met een ampèremeter op een 12 V-accu en de meter gaf 3,75 A aan.”

Ja. Als dat uitrekent met de Wet van Ohm kom je op zo'n hoge wattage, maar de spreekspoel heeft dat niet overleefd. Trouwens je meet dan de gelijkstroomweerstand van de spreekspoel en die is minstens 20% lager dan de impedantie. Deze is zo heet geworden dat de spoel is uitgezet en nu vast zit in de spleet van de magneet.

Mijn eerste ervaring met een echte zware luidspreker speelde zich af in het najaar van 1946, ik was toen 15 jaar oud. Tijdens een kermis op het Mosplein in Amsterdam viel een grote, van een hoorn voorziene, luidspreker uit een mast op de grond. Dat liep nog goed af voor de vele bezoekers, maar de luidspreker bleek niet meer te werken. Ik vertelde dat mijn vader hem wel zou kunnen repareren. Wij hadden de werkplaats vlakbij en de luidspreker werd daar heen gebracht. In de hoorn bevond zich een Philips 5200 waarvan de magneet verschoven was en de spreekspoel hierdoor klem zat. Ik kan mij nog herinneren dat het nog een hele klus was om de magneet weer te centreren zodat de spreekspoel weer vrijelijk kon bewegen.

Veel later in 1967 stond ik op de Bilderdijkstraat voor een etalage van een muziekwinkel te kijken naar al de mooie spullen en op dat moment kwam de eigenaar naar buiten die een 15 inch Celestion luidspreker op een van de daar staande volle vuilnisbakken deponeerde. Ik vroeg of ik hem mocht hebben. De man antwoordde hij is stuk. Waarop ik zei, die kan je toch maken! Ik kreeg hem mee om hem te repareren en als dat lukte had hij nog wel meer werk. De man, Jan de Waal, was importeur van Marshall en dat werden vooral 12 inch Celestions type G12 die ik in handen kreeg. Ik besefte op dat moment nog niet dat dit het begin was van een nieuwe periode in mijn leven. Een luidsprekerreparatie onderneming!! Nou ja Briggs begon met zijn Wharfedales pas op 42 jarige leeftijd.

Zijn boek, waarvan de eerste editie in mei 1948 uitkwam en vele malen is herdrukt, kan ik iedereen, die meer van luidsprekers wil weten, aanraden. Al spoedig bezocht ik voor een importeur van Fane in Haarlem diverse bedrijven in Engeland voor de nodige onderdelen. Ten eerste Fane in Batley maar ook Goodmans, Richard Allen, Celestion, H&H en Vita Vox. Over deze laatste is meer te lezen in het vorige verslag. Ook DNH in de stad Krägero in Noorwegen, vanwaar ik zelfs buiten de conussen en vele spreekspoelen ook nog 25 liter lijm mee kreeg om er vooral zeker van te zijn dat de conussen van hun luidsprekers goed gelijmd werden. Nog altijd vele spreekspoelen van DNH in voorraad.

Het is in die periode dat ik de Fane gitaarversterker ontwierp. Een 200 W balans met vier maal EL34 waarbij iedere helft van de balansschakeling met een aparte voeding wordt gevoed. Niet alleen de bijzondere krachtige gitaarversterker maar vooral met de twee zware voedingstrafo's werd deze gezien door gitaristen als een versterker met dubbele power, wat we natuurlijk in onze advertenties niet vergaten te vermelden.

Eind 1979 openden we onze muziekwinkel in Alkmaar (www.peterjohanzen.nl). Wat de luidsprekers betreft is mij opgevallen dat voor een goed resultaat er evenwicht moet zijn tussen de componenten. De meest goede samenstelling is een spreekspoel met een diameter van 1,5 inch en een impedantie van 8 Ω. Een 14000 gauss magneet en een opening van 12 inch. Het frequentiebereik kunnen we, bij benadering, meten door de afstand, gemeten langs het werkzame deel van de conus, vanaf de spreekspoel, naar de buitenrand te delen op de geluidssnelheid in m/s. Deze is bij 20 graden 342 m/s.

Is deze afstand 9 cm dan wordt dat 342 / 0,09 = 3800 Hz. Hoe groter de conus des te lager het frequentiebereik. Reden dus om gebruik te maken van een extra luidspreker met dezelfde impedantie van 8 Ω, die wel hoger in frequentie kan weergeven. Hiervan moet de spreekspoel in een lijn liggen met die van de grote luidspreker. Deze hogetonen luidspreker of tweeter moet dan wel via een filter aangesloten worden om te voorkomen dat lage frequenties deze luidspreker zouden beschadigen of zelfs opblazen.

We doen dit door deze luidspreker in serie te schakelen met een condensator. Liefst geen bi-polaire want dat zijn twee tegengesteld geschakelde elco's en lang niet zo goed als een echte condensator. De waarde van deze condensator hangt af van de te kiezen scheidingsfrequentie en dat wordt  1 / 2π . fo . Z =
Als we 1 door 2π delen krijgen we 0.16, vermenigvuldigen we dat met 1.000.000 dan is de uitkomst in μF.
Dus het wordt dan 160000 / fo . Z =   μF

Waarbij fo de gekozen frequentie is en Z de luidsprekerimpedantie. Beter nog is om de luidspreker te dempen met een weerstand parallel om wilde uitslingering te voorkomen. Een weerstand van 8 Ω voldoet prima. Maar dat maakt samen met de luidspreker 4 Ω. Er moet dan een weerstand in serie van 4Ω met het geheel in serie gezet worden.

Volgens de E-reeks wordt R1 = 3,9 Ω en R2 = 8,2 Ω. De totale weerstand wordt dan 8 Ω om weer de juiste scheiding of cross-over frequentie te verkrijgen. De verzwakking is dan 6 dB maar dat zal niet opvallen. Voor het tere luidsprekertje is dat beter. Een belangrijke regel is dan ook om altijd naar de luidspreker een installatie in te schakelen. Dus eerst de cd-speler of mengtafel en pas op het laatst de eindversterkers. Dit om schakelklikken te voorkomen die de tweeters kunnen beschadigen. Met het uitschakelen altijd eerst de eindversterkers. Plaatsen we nu in serie met de grote luidspreker een spoel in serie dan hebben we een compleet filter van de eerste orde of wel een 6 dB filter.

De spoel wordt dan L = Z / 2π . fo = Henry.
Ook hier delen eerst Z door 2π dat wordt dan in ons geval:
1 gedeeld door 2π = 0,160.
Dat maal 1000 dan hebben de uitkomst in mH.
Dat wordt dan 160 . Z / fo = mH.
Dit filter heeft een faseverschuiving van 90 graden, dat betekent dat de hogetonen luidspreker een kwart golflengte naar achteren geplaatst moet worden. Is de gekozen cross-over 1000 Hz, dan moeten we de geluidssnelheid van 342 m/s delen door 1000 Hz . Dat is 34 cm en deze uitkomst weer delen door 4. Dat betekent dat het luidsprekertje ten opzichte van van de spreekspoel van de grote luidspreker 8,5 cm naar achteren geplaatst moet worden.

De spoel moet een luchtspoel zijn en van een flinke draaddikte om de ohmse weerstand klein te houden. Dus geen ijzerkernen die in verzadiging kunnen raken. Ook geen litze draad want dat is volkomen zinloos omdat er geen skin effect optreedt zoals bij hoogfrequent. Een verbetering is om achter de spoel een condensator te plaatsen parallel aan de bas luidspreker en een spoel parallel aan de tweeter. Dit filter van de tweede orde verzwakt 12 dB en heeft een fasedraaiing van 180 graden, wat als voordeel heeft dat slechts de aansluitingen van de tweeter omgedraaid moeten worden.

De berekeningen worden nu anders.
C= 1 / 2,8 π . fo . Z = 0,122 . 1000000 / fo. Z = μF
L = Z / 1,4 π. Fo = 0,225 . 1000 . Z / fo = mH
Bijgevoegd is een voorbeeld van deze filters van Briggs, die bedoeld zijn voor een cross-over van 1000 Hz met spreekspoelen van 15 Ω.

Met voorbeelden van 6 en 12 dB filters. Voor 8 Ω luidsprekers de waarde van C vermengvuldigen met 2 en L delen door 2. Voor een cross-over van 500 Hz C en L vermenigvuldigen met 2. Voor een cross-over van 2000 Hz alle C en L waarden delen door 2.
Let er wel op dat bij de Quarter Section Series NW 4 de spoel een zeer lage ohmse weerstand dient te hebben!! Omdat beide luidsprekers in serie staan. Het kan natuurlijk voorkomen dat de impedantie van de tweeter niet overeenkomt met die van de lagetonen luidspreker. Wharfedale heeft daar een speciale kleine autotransformator voor ontworpen om de juiste aanpassing te maken.

Even werd nog stilgestaan, tijdens deze lezing bij de bouw van kasten. Waarbij ik liet weten dat een enkel klankbord of kast met open achterkant (een gevouwen klankbord) beter is dan een gesloten box. Vooral als deze te klein gekozen wordt en het samendrukken van de lucht zorgt voor een niet lineaire beweging van de conus. Bij het aanbrengen van poorten om de resonantiefrequentie te onderdrukken, zorg er voor dat de oppervlakken van de openingen overeenkomt met de luidsprekeropening.

Overigens met poorten kunnen goede resultaten bereikt worden wat betreft onderdrukken van de resonantiefrequentie, maar waar men het ene verbetert komen er meestal in veelvoud weer andere problemen opduiken. Ik zeg altijd tegen jongens die in een band spelen, zorg er voor dat als je zelf een kast bouwt, dat deze in je auto past als je ergens moet optreden. Het werd tijd voor de pauze want het is erg warm in het zaaltje mede omdat het deze avond wel erg druk is met bezoekers. Tijd voor iets te drinken en wat kaas of worst te eten, ondertussen werd er nog flink onderling nagepraat over wat er was verteld.

In de ruimte van het vintage NGG audiomuseumpje werd al een cd gestart, Ben Webster op tenorsax met het mooie nummer 'Nancy with her lovely face'. Na deze pauze is het de beurt aan John Hupse om een demonstratie te geven met twee grote boxen waarin de 9710 van Philips en twee MFB boxen.

Tijdens de demonstratie zal blijken dat geen van beide luidsprekersystemen tijdens de meting met een octaaf spectrum analyzer boven de 8 Khertz uitkomen.

Maar een tenor sax komt nauwelijks boven de 1200 Hz dus hoeveel harmonischen moeten we er bij optellen om ook een tweetertje wat te doen te geven. Cimbalen van een drumstel halen de 16 kHz , maar de begeleiding heeft deze niet gebruikt volgens de meting. Ondanks dat een mooi warm geluid en ik denk dat Webster meer aandacht kreeg dan dat de beide geluidsboxen kregen. Al met al een leuke demonstratie waar met alle aandacht naar werd geluisterd. En zoals John na afloop zei: “Eigenlijk hoor je weinig verschil“.

Ik denk ook dat om de boxen te beoordelen je een toongenerator en scoop moet gebruiken. Maar dat is meer voor techneuten. Ben Webster gaf ons niet de gelegenheid om de boxen te beoordelen, zijn muziek had duidelijk bij ieder de overhand.

Zoals blijkt uit deze foto.

Piet van Schagen.