[E_Tobi]

Hallo zusammen,

das ganze ist hier zwar etwas fachfremd, aber vielleicht findet der eine oder andere die Idee trotzdem interessant:
Ich bastel grad an einer Lautsprechersimulation im Zeitbereich, die anstatt ein elektrisches Ersatzschaltbild von LS und Gehäuse zu machen, einfach die mechanischen Eigenschaften nimmt und schaut was rauskommt.

Das Ziel des ganzen ist es am Ende das Einschwingverhalten zu sehen, und beliebig nichtlinearitäten einbauen zu können, in den Antrieb, die Aufhängung, im nächsten Schritt das Gehäuse...und was dazu zu lernen.

Um zu zeigen um was es mir geht mal ein Bild vom Ist-Stand an dem ich grad bastel:

   

Die Eigenresonanz ist schon mal von selbst auf der richtigen Frequenz entstanden.
Im Moment sitze ich dran die TSP-Güten QMS/QES in etwas zu verwandeln, das was mit der Mechanik zu tun hat...hat dazu vielleicht jemand Ideen, oder sowas schon gemacht?

Grüße

[voltwide]

(26.04.2021, 08:15 PM)E_Tobi schrieb: Hallo zusammen,

das ganze ist hier zwar etwas fachfremd, aber vielleicht findet der eine oder andere die Idee trotzdem interessant:
Ich bastel grad an einer Lautsprechersimulation im Zeitbereich, die anstatt ein elektrisches Ersatzschaltbild von LS und Gehäuse zu machen, einfach die mechanischen Eigenschaften nimmt und schaut was rauskommt.

Das Ziel des ganzen ist es am Ende das Einschwingverhalten zu sehen, und beliebig nichtlinearitäten einbauen zu können, in den Antrieb, die Aufhängung, im nächsten Schritt das Gehäuse...und was dazu zu lernen.

Um zu zeigen um was es mir geht mal ein Bild vom Ist-Stand an dem ich grad bastel:



Die Eigenresonanz ist schon mal von selbst auf der richtigen Frequenz entstanden.
Im Moment sitze ich dran die TSP-Güten QMS/QES in etwas zu verwandeln, das was mit der Mechanik zu tun hat...hat dazu vielleicht jemand Ideen, oder sowas schon gemacht?

Grüße

T/S Parameter in LTSpice - das hat was

[alfsch]

jo, nette Idee.  
Dir ist aber schon klar, dass du erstmal einen "idealen Kolben-Strahler" simulierst, der mit realen Lautsprechern nur im untersten Frequenzbereich etwas gemeinsam hat ?
die ollen , berühmten Berechnungen von Thiele und Small sind da wohl die Referenz:
https://en.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small_parameters

und natürlich : Beranek, Acoustics.
https://www.amazon.de/Acoustics-Fields-T...0123914213

(die ältere Version hab ich als Datei...falls nicht selbst suchen willst)

das echte Problem ergibt sich aber bei realen speakern (mit Gehäuse) bei höheren Pegeln: da "stimmt" fast nix mehr.
gab mal gute Untersuchung von JBL und auch von EV dazu.
deswegen nennt sich der Kram auch "SMALL signal parameters". 

[E_Tobi]

Danke für die Tips! Das Buch such ich mir mal raus...
Ja, im ersten Schritt gehts um Subwoofer.
Ich will sehen wie verschiedene Treiber mit verschiedenen Parametern bei der gleichen Anregung einschwingen. Die mir bekannten Programme simulieren aber alle den bereits eingeschwungenen Zustand, und überhaupt alles auch nur unter der Annahme dass alles zu jedem Zeitpunkt linear ist. Was ich als nächstes sehen will ist, was das zugehörige BR-Gehäuse macht, und ob das Einschwingen immer gleich aussieht, egal wie man die Querschnittsfläche vom BR-Port und seine Länge (in sinnvollen Grenzen) wählt, wobei die Luft im Port dann auch als Feder modelliert werden soll.

Die Ankopplung Membran/Luft könnte später aber auch noch dazugepackt werden, grundsätzlich. Im Moment hört die Rechnung bei der Membranposition auf.

Nachdem mir jetzt auch klar geworden ist dass QMS genau das Maß für die mechanische Dämpfung ist das ich gesucht hatte und 1:1 einfach in der Schwingungsgleichung auftaucht, und sich der Zahlenwert QES schön "von selbst" durch BxL, die Membrangeschwindigkeit und den ohmschen Wicklungswiderstand ergibt, stimmt mein Treiber-Modell schon mal so weit für die Situation dass das Chassis im Vakuum (die Abstrahlung hat keine Rückwirkung auf die Membran) in einer unendlichen Schallwand hängt, die Membran aber trotzdem eine Luftmasse mitnimmt (steckt schon in mms)...

Was mir zum Beispiel bisher nicht klar war, ist dass Lautsprecher das selbe "Anfangsproblem" wie z.B. Trafos haben.
Bei der ersten positiven Sinus-Halbwelle wird entsprechend der Fläche unter der Kurve ausgelenkt - die Membran war aber vorher in Ruhe, und nicht beim negativen Auslenkungs-Peak, das heißt dass sie jetzt bei der doppelten Auslenkung steht als sie eigentlich stünde, wenn sie eingeschwungen wäre. Diesen Anfangs-Offset muss die Aufhängung jetzt korrigieren, was dazu führt dass erst mal eine Schwingung auf der Eigenresonanz beginnt - bedämpft durch QMS und evtl. QES, aber nur wenn die Spule zu dem Zeitpunkt noch im Magnetfeld ist.

[alfsch]

BR Loch...macht schon "irgendwas" aus. Gab mal Artikel im AES Journal und von Ev (glaube) dazu, interessant war: bei hoher Leistung bekommt man nichtlineare Effekte der strömenden Luft, die den Frequenzgang völlig verändern (im Bass).
Der ursprünglichen Kleinsignal-Berechnung von den Herren T&S entspricht nur eine Box mit idealem Kolbenstrahler und Reflexloch an gleicher Position, bei kleiner Leistung.
Loch etwas vom speaker entfernt...wird schon anders.  

+
das "Signal-Einschwing-Problem" haben offensichtlich alle "Masse-gehemmten" Wandler, aber was ist zB bei Elektrostaten? Da sollte es anders sein, Membran folgt der Spannung direkt , bis zu best. oberer Grenzfrequenz, bei der die Masse dann wirkt. Was aber bei einer zB 5um Membran (leichter als die mitbewegte Luft) kaum zu bemerken sein sollte.

[E_Tobi]

Da hab ich mal einige Artikel dazu gelesen, Stichworte Innen/Außenradien an Bassreflex-Ports, Durchmesser, Strömungsgeschwindigkeit, und dann auch irgendwann Kompression.
Wird vermutlich auch in diese Richtung gehen, oder?

Das mit den Elektrostaten ist eine interessante Frage, aber ich sehe erst mal keinen Grund warum man sich das nicht auch ansehen können sollte, sobald die Sim fertig ist...Membranmasse gegen Null, aktive Fläche eingeben (vermutlich besser modelliert als das beim Sub nötig ist), dann sollte man eigentlich sehen können was rauskommt.

Kleines Update, die Simu hat jetzt ein Gehäusevolumen, die Kraft aus der Volumenverschiebung wirkt auf die Membran zurück, und sowohl Aufhängung als auch Antrieb sind nichtlinear - linear bis xmax, ab dann mit (Auslenkung/xmax ) bzw. (xmax/Auslenkung) ansteigend/abfallend. Da kann man sich sicher spannendere Formeln einfallen lassen, aber fürs erste tut sich schon mal was.

Scheint erst mal alles zu laufen, die Reso verschiebt sich je nach Gehäusevolumen, die Auslenkung sinkt, etc.pp.

Was aber völlig fehlt ist das ansteigen des Hubes zu geringen Frequenzen hin - oder evtl. eigentlich genauer, das abfallen des Hubes zu hohen Frequenzen...ich vermute mal dass das das fehlen der Strahlungsimpedanz ist, die, je besser die Abstrahlung funktioniert, die Membran durch Energieentnahme hemmt -> Akustischer Output? 

Was ich jetzt mache ist: Klemmenspannung minus Back-EMF gibt Strom, Strom gibt Kraft, Kraft minus alle Rückstellkräfte minus Membrangeschwindigkeit mal Dämpfung gibt Beschleunigung, Beschleunigung gibt Membran-Geschwindigkeit, Membran-Geschwindigkeit gibt Verschiebevolumen, das relativ zum Gehäusevolumen gibt Rückstellkraft auf die Membran.
Membrangeschwindigkeit gibt Back-EMF.

   

Das nächste Problem ist es also jetzt die Schallabstrahlung zu bauen...
(Edit: Ja, jetzt wird's Zeit für Alfsch's Buchempfehlung  )

[alfsch]

>Was aber völlig fehlt ist das ansteigen des Hubes zu geringen Frequenzen hin 

das muss sich "von selbst" ergeben ! weil System "Masse-gehemmt" ist, also bei Antrieb mit Kraft x ergibt sich nach Zeit t eine gewisse Bewegung der Masse; ist die Frequenz niedriger, ist die Zeit der Beschleunigung in eine Richtung länger - und damit der "Hub" , den die Masse macht. soweit noch egal, ob das ne Membran oder einfach ein Stein ist, der beschleunigt wird.

+
kR ist dein neuer Bekannter... 

https://www.hs-augsburg.de/~clemen/lehre/audio/LS_Modell.PDF

   


gurgl: strahlungswiderstand lautsprecher

[E_Tobi]

(27.04.2021, 07:40 PM)alfsch schrieb: das muss sich "von selbst" ergeben ! 

Ja, wenn man genau schaut, und nicht ein linear skaliertes Diagramm mit einem logarithmischen vergleich, macht es das tatsächlich auch 
Passt alles 1:1 zu dem was WinISD ausspuckt, super.

Das bedeutet aber auch dass WinISD nix von der Akustik mitnimmt.
Aus der Doku geht hervor wie der Schallpegel berechnet wird, die Einfluss vom Strahlungswiderstand auf die Auslenkung wird aber offensichtlich ingnoriert.

Die Simu gefällt mir recht gut, man bekommt ein ganz neues Gefühl dafür was im Lautsprecher passiert - z.B. hätte ich den Einfluss der Rückstellkraft der Gehäusefeder viel kleiner vermutet, tatsächlich ist die ca. doppelt so groß wie die der Aufhängung des Treibers den ich zu testzwecken gerade eingegeben habe- Image Dynamics ID8.

Ich verzweifel grad ein wenig daran den kR in den Zeitbereich zu bekommen, direkt in Zusammenhang mit Membranfläche, Membrangeschwindigkeit(t), etc. zu bekommen...vielleicht schieb ich das auf später, der Einfluss sollte ohnehin nicht sehr ins Gewicht fallen.

Für interessierte hab ich die Simu mal angehängt.

[alfsch]

>Ich verzweifel grad ein wenig daran den kR in den Zeitbereich zu bekommen

da kann ich dir wenig helfen 
die mathe/physikalische Beschreibung, wie Bewegung Schall = Longitudinalwellen erzeugt, liegt leider jenseits meines Horizonts.
es tritt eine "magische" Wandlung - im sog. Nahfeld - von einer Luftverschiebung = Druckwelle zu einer "Schallwelle" auf, das ist irgendwie ähnlich wie bei Antennen im HF Bereich, auch da gibt's das Nahfeld mit Magnetfeld und Spannung und das Fernfeld mit der "Welle" , el.mag. /transversal,  in dem Fall, aber das selbe Problem. Der Übergang ist nicht so richtig bekannt - mir jedenfalls nicht. (oder so richtig komplex...)
Natürlich wird jeder Profi-Physiker jetzt sagen, das wird einfach gleichgesetzt und damit ist es klar definiert. Nur - ich "glaube" nicht so einfach an die Erklärungen, weil das eher eine Behauptung ist, keine Erklärung , die auf wirklicher Erkenntnis beruht.
Das ist wie diese Behauptung der Astrophysiker, wie die Sonne "funktioniert", H2 zu He ... WISSEN  tut  das keiner, es war noch niemand dort - und wird es auch nicht sobald sein. Es sind also nur Annahmen, die noch nicht widerlegt wurden. Kein "Wissen".

[E_Tobi]

Ja, irgendwie so...lokal, direkt auf der Membran gilt quasi erst mal q(t)=v(t)*A - unter mehreren Annahmen:
- die durchstrahlte Fläche A ist erst mal zeitinvariant - die ganze Membran schwingt als ganzes
- die Schallschnelle v(t) ist auf der ganzen Membran homogen, und beschrieben genau auf der Membranoberfläche

Das bedeutet schon in sich dass das nur so lange geht wie die Welle nicht auf die Membran passt - andernfalls gelten beide Annahmen nicht mehr.

So, dann hörts aber auf 
Für die Impedanz brauchts Z=Schalldruck/Schallfluss. Schalldruck ist F/A. A ist wieder bekannt, aber wie hoch ist F? Wohl so groß wie anteilig die gesamte beschleunigte Masse aktio=reaktio spielen kann, aber nur solange es in Phase ist.

Ersatzmäßig müsste man "eine unendlich lange L-C-Kette" an die Membran anschließen, mit Luft-Federn, die auf Luft-Massen wirken, die auf Luft-Federn wirken, etc...
Analog zur Strahlungsimpedanz beim funken, quasi. E-Feld, H-Feld, E-Feld, etc...
Ich habe das Gefühl die Lösung ist relativ einfach, und liegt auch direkt da, aber ich sehe sie nicht 

Naja, in der Zwischenzeit habe ich über eine zusätzliche Runde "DGL-von-hinten-aufrollen" den Bassreflex-Masse-Feder-Schwinger reingeholt, aber bisher noch ohne Nachgiebigkeit der Luft im Port:

   

Klappt gut, die doppelte Impedanzspitze mit Phasenverlauf entsteht, die Luftgeschwindigkeit im Port passt, etc

[E_Tobi]

Ok, jetzt wirds spannend.

Im Vergleich gut abgestimmtes CB <-> gutes BR, gespeist mit einem Bassdrum-Sample, zeigt sich - das BR schwingt genau so schnell ein und aus wie das CB 

   

Grün ist das gefilterte Signal, die beiden blauen BR und CB. Das höhere ist BR.
So weit, so unerwartet. 

Der Unterschied taucht dafür an anderer Stelle umso stärker auf:

   

Das ist der Strom in der Schwingspule, BR gegen CB....

[E_Tobi]

Ein kleines Update, ich habe eine thermische Kompression mit ins Modell genommen, die dann naturgemäß auch dazu führt dass die elektrische Dämpfung steigt, etc.

Davon abgesehen steht an anderer Stelle eine kleine (?) Wand im Weg. Ich kriege es weder hin die Rückwirkung der Abstrahlung auf die Membran, noch den Pegel im Nahfeld (t), noch ein halbwegs schönes Modell der Strömungsverluste im BR-Port in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit und dem hydraulischen Durchmesser des Ports zu modellieren...hier fehlen dann doch einige Basics.

[alfsch]

(01.05.2021, 09:56 PM)E_Tobi schrieb: ... Ich kriege es weder hin die Rückwirkung der Abstrahlung auf die Membran, noch den Pegel im Nahfeld (t), noch ein halbwegs schönes Modell der Strömungsverluste im BR-Port in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit und dem hydraulischen Durchmesser des Ports zu modellieren...hier fehlen dann doch einige Basics.

na ja, das ist ja auch der eigentliche Punkt der "Wandlung" Bewegung in Schall.
genau genommen, musst 2 Transformationen betrachten: Bewegung (der Membran) -> Druck (in der Luft) -> Bewegung (der Luft) => Schallwelle (mit 3-dimens. Intensitäts-Verteilung, die von ihrer Herkunft und direkten Umgebung abhängt)
---> dann käme der Mess-Punkt , wo das ganze betrachtet wird, denn aufgrund der komplexen Abstrahlung ist das Ergebnis ja abhängig von der Position rel. zur Schallquelle und auch deren nähere Umgebung.

dazu fällt mir was ein -- der hat das schon ganz gut modelliert: vituixCAD.
https://kimmosaunisto.net/

[alfsch]

noch was: ich denke, du solltest dich einfach auf die erzeugte Schall-Energie beschränken; damit bleibt die Abstrahlung und ihre komplexe Abhängigkeit von der Umgebung einfach weg.
Die Schall-Energie solltest eigentlich auch irgendwie so bekommen: Bewegung hast ja, dazu Vorgabe: Membranfläche xx, gibt das verschobene Luftvolumen; das kann man afair in die enthaltene Energie umrechnen und somit dann einfach in Schalldruck xy in z m Entfernung.
(ich vermute, Programme wie Basscad machen das auch so; mit der "echten" Transformation Bewegung->Druck->Luftbewegung->Schalldruck kann das eher nur sowas wie Ajhorn, da haste dann auch die Wirkung eines beliebigen Horn's mit drin, was ja die "nahe" Umgebung des speakers darstellt.
Das wäre denn doch eher zu komplex, vermute ich mal.) 

[E_Tobi]

Jup, sowas ist in einigen Papers zu finden.
Im Moment nehme ich eine Größe namens volume velocity, also das differential der gesamten verschobenen Luft, als Größe um die Lautstärke vorherzusagen.
Was bei allen diesen Modellen fehlt ist aber die Rückwirkung auf die Membran.
Im Moment gibt's den Schalldruck "for free", ohne dass dafür eine Kraft auf die Membran entstünde. Das stört mich ein wenig.

[alfsch]

denke, die "Rückwirkung" kannst vergessen; es ist einfach die mit-bewegte Luftmasse, die aber nur einige Prozent der bewegten Masse ausmacht.
sprich: der Antrieb bewegt die Masse (Membran, spule usw.) von zb 30g und die Luft von zb 3g , also real 33g; diese 3g sind deine "Rückwirkung", aber eigentlich die echte Wirkung; eine Rückwirkung würde erst die Reflexion bzw Effekt der Schallführung vor und hinter (!) dem speaker ergeben, aber da bist dann wieder in der echt komplexen Ecke...

[E_Tobi]

Ja, da hast du recht. Die Luftlast die schon im MMS ist, ist im Endeffekt genau das was als Rückwirkung mitgenommen wird.
Das liegt auch dran, dass im Bereich der Lautsprechersimulation die Luft als inkompressibel gilt - sowohl im BR-Port, als auch an der Membran.

Bedeutet, keine Dichteschwankungen. Damit fällt auch die "Feder" in der Portluft weg. Ich hab ein wenig rumgerechnet, ich komme da auch auf keine Ergebnisse die irgendwo in der Größenordnung liegen würden die relevant wäre.

Klar eigentlich, weil ja die Schallgeschwindigkeit das Maß ist das beschreibt wo die Federsteifigkeit der Luft in Relation zur Luftmasse zum tragen kommt....und in diesen Dimensionen landen wir lange noch nicht.

[E_Tobi]

Nach der Sichtung von einigen Klippel-Papers habe ich mal das absinken der Federsteife nach hohem Hub eingebaut.
Zusätzlich gibts jetzt auch eine Federsteife die mit einem Polynom modelliert ist, nicht mehr abschnittsweise.

Das schaut dann so aus:

   

Zusätzlich habe ich Erfolge bei der Pegelberechnung erzielen können:

Hier das Ergebnis von WinISD für ein 20l BR und 10l CB-Gehäuse:

   

Und meines dagegen, genau gleich eingestellt:

   

Der Pegel über der Abstimmfrequenz passt mir schon sehr gut, warum mein Ergebnis mehr buckelt wie das von WinISD konnte ich noch nicht nachvollziehen.
Dazu habe ich aber mal den Jungs eine E-Mail geschrieben, mal sehen - vielleicht helfen sie mir ja weiter.

Hier noch einige Vergleiche zwischen "meiner" mechanischen Sim und dem WinISD-Ergebnis:

Hub, 1mV=1mm:
         

Impedanz:
         

Luftgeschwindigkeit im Port, 1V=1m/s:
         

Im großen und ganzen bin ich eigentlich schon mal recht happy damit.

[alfsch]

[E_Tobi]

So, das Gehäuse hat nun Undichtigkeiten, und der Port lineare Strömungsverluste.

   

Hier zu sehen wie bei steigenden Portverlusten der Hub auf der Abstimmfrequenz ansteigt.