Spänning, ström och effekt för högtalare med musiksignaler

[I-or]

I en annan tråd kom detta ämne upp nyligen. Det kan vara förvirrande med alla elektriska storheter och för den som tycker att detta är en barnlek så kan det vara intressant att se hur musiksignalen inverkar. Därför kan det vara påkallat att gå lite djupare kring detta.

En normal förstärkare förstärker spänningen från signalkällan. Beroende på högtalarens impedanskurva/impedansgång kommer detta att leda till en strömstyrka som varierar kraftigt med frekvensen även om spänningen är konstant. Den effekt som utvecklas är dock av mindre intresse annat än som termisk belastning i talspolarna och delningsfiltren (vilken sällan är ett problem i HiFi-sammanhang).

Ovanstående är elementärt för många faktisktianer, men det är nog inte så många som känner till hur strömstyrkan genom talspolar och delningsfilter ser ut med musiksignaler. Med några enkla, men väl valda, grepp så kan man låta Matlab utföra beräkningarna.

För att illustrera detta så har jag utgått ifrån en impedansgång som ser ut enligt nedan:

Z-speaker example.png (19.34 KiB) Visad 5487 gånger

En halvsvår impedansgång utan att vara extrem (minimum 3,4 Ω och ett minimum för fasvinkeln om -60°).


Vi trycker sedan på med en maxspänning om 56,6 Vp (d.v.s. motsvarande 200 Wrms i 8 Ω) och provar några olika låtar från helt olika genrer. Vi får följande utfall för vänster kanal:


Michael Ruff - Speaking in Melodies - Wishing Well (välinspelad fusion)

Wishing Well U-I-P.png (24.07 KiB) Visad 5487 gånger

Medeleffekten är futtiga 3,3 Wrms.


AC/DC - Back in Black - You Shook Me All Night Long (röjig rock)

You Shook Me All Night Long U-I-P.png (22.38 KiB) Visad 5487 gånger

Medeleffekten är futtiga 9,1 Wrms.


Daft Punk - Random Access Memories - Give Life Back to Music (unofficial release) (elektrodisco med fläskig bas)

Give Life Back To Music U-I-P.png (21.92 KiB) Visad 5487 gånger

Medeleffekten är futtiga 6,7 Wrms.


Post Malone - Beerbongs and Bentleys - Psycho (komprimerad rap med massor av bas kring 25 Hz)

Psycho U-I-P.png (24.19 KiB) Visad 5487 gånger

Medeleffekten är avsevärda 59,2 Wrms.


Baltimore Symphony Orchestra - The Firebird (högdynamisk symfonisk musik)

Firebird U-I-P.png (20.27 KiB) Visad 5487 gånger

Medeleffekten är futtiga 1,3 Wrms.


Om någon utgående ifrån effektdiagrammen ovan undrar om I-or har blivit knasig och tror att det finns negativ effekt som emanerar från ett svart hål så är detta ett utslag av den s.k. reaktiva effekten när högtalaren skickar tillbaka effekt till förstärkaren. Som mest uppgår denna effekt till 108 Wp ovan.

Maximal strömstyrka är ca 15 Ap men oftast är den inte mer än ca 8-12 Ap. Slutsatsen är att den maximala strömstyrkan med musiksignaler även med en hyggligt svår last är måttlig. Observera även att alla värden i diagrammen ovan avser toppvärden och att man vanligen uppger RMS-värden i förstärkarspecifikationer. Toppvärdena för spänning och ström för RMS-specificerade förstärkare är 41 % högre än RMS med sinussignaler. Toppvärdet för effekten är dubbelt så stor.

[RogerGustavsson]

Lysande! Äntligen lite fakta kring allt snack om ström. Många rörsteg är ju klena när det gäller att leverera ström och låter trots det helt okej.

[I-or]

Ja, det brukar fungera hyfsat även om man nästan alltid hör att de allra mest krävande partierna tappar skärpa, speciellt i basen. Oftast inträffar detta som tur är bara några gånger per låt. Rörförstärkare klipper dessutom vanligen på ett ganska hörselvänligt sätt, vilket döljer bristerna någorlunda.

För en rörhäck om 50 Wrms i 8 Ω så krävs en maximal strömstyrka om drygt 4 Arms (ca 72 Wrms i 4 Ω) för den halvsvåra exempelhögtalaren om man undantar den allra mest krävande låten Psycho.

[Hjalmar_Branting]

Tackar!
Mkt bra info.

[I-or]

En sak till: jag har förstås fuskat en aning med antagandet att högtalaren uppträder linjärt även vid mycket hög inspänning, men skillnaden blir närmast försumbar om man lägger till olinjäriteter (den virtuella högtalaren har goda prestanda vad gäller linjäritet, men även med något mindre kapabla konstruktioner blir skillnaden typiskt sett inte stor).

[BellsnWhistles]

Men vad är medeleffekten i dina exempel i praktiken?
Jag förstår det som att det som visas i dagrammen är de strömmar och spänningar i systemet som alla komponenter behöver kunna hantera (t.ex. om man vill dimensionera en högtalakabel för ett maximalt spänningsfall så skulle man utgå från Current-diagrammet), men den väldigt låga medeleffekten, var kommer den in?

Annars så brukar det ju hävdas att kraftiga reaktiva effekter (p.g.a. högtalarnas beteende) bara gör saker och ting värre för förstärkare, trots att effekten "skickas åt fel håll, tillbaka" igen?
Jämför diskussioner om högtalaraimpedans och EPDR.

[I-or]

Detta motsvarar praktiken fast i ett virtuellt element eftersom jag är lat och inte orkar bygga högtalaren för att sedan utföra elektriska mätningar. Om man hade gjort detta via fysiska mätningar av spänning och strömstyrka så hade man fått samma resultat. Det fiffiga är att man kan ta den frekvensberoende impedansen (belopp och fasvinkel) för en godtycklig högtalare och avgöra hur hög strömkapacitet som krävs av förstärkaren med musiksignaler. Dessutom kan man studera aktiv effektutveckling i högtalaren.

Medeleffekterna är låga huvudsakligen eftersom toppfaktorn i signalen är hög (mellan ca 10 och 25 dB, d.v.s. ca 10 till 300 gånger för signaleffekten). Man ser även att de faktiska medeleffekterna som utvecklas i högtalaren minskar ytterligare något relativt en rent resistiv last.

De reaktiva effekterna är flera gånger lägre än de aktiva dito för exempelhögtalaren trots att den är bestyckad med ett ganska saftigt 12"-element med hög motorstyrka. Speciellt mycket svårare blir alltså inte förstärkarens arbete av detta.

EPDR (Equivalent Peak Dissipation Resistance) handlar om SOA (Safe Operating Area) för en linjärförstärkares effekttransistorer och har endast vissa beröringspunkter med allt detta. T.ex. måste förstärkaren kunna lämna upp till drygt 15 Ap (egentligen -15 Ap om man ska vara noggrann) även med relativt stor fasvinkel. Detta kan variera stort mellan olika förstärkare som ibland är utförda med ganska märkliga skyddskretsar.

[Kraniet]

Ja, det brukar fungera hyfsat även om man nästan alltid hör att de allra mest krävande partierna tappar skärpa, speciellt i basen. Oftast inträffar detta som tur är bara några gånger per låt. Rörförstärkare klipper dessutom vanligen på ett ganska hörselvänligt sätt, vilket döljer bristerna någorlunda.

För en rörhäck om 50 Wrms i 8 Ω så krävs en maximal strömstyrka om drygt 4 Arms (ca 72 Wrms i 4 Ω) för den halvsvåra exempelhögtalaren om man undantar den allra mest krävande låten Psycho.

Kunde inte bi amping med vanlig slutsteg i basen och rörsteg till mid/diskant kunna vara en bra lösning för de som vill köra med rör? Förutsätter förstås att det inte är en tvåvägshögtalare.

[I-or]

Jovisst och detta är inte alls en ovanlig lösning för rörbögar. Basproblemen i rörfallet beror till stor del på utgångstransformatorn som lätt mättas vid låga frekvenser.

En sak till som kanske behöver kommenteras är att det inte är självklart att bastunga inspelningar leder till de största påfrestningarna på förstärkaren.

Detta framgår tydligt av den relativt beskedliga maximala strömstyrkan om drygt 8 Ap på Give Life Back To Music som har ordentligt fläsk i basen. Utfallet beror på att en hel del av signaleffekten hamnar i frekvensområdet runt den övre impedanstoppen i basen.

Basen påstås som de flesta vet alltid vara mest det överlägset mest ström-/effektkrävande området i diverse marknadsföringssammanhang, men hur detta faller ut i praktiken beror både på högtalarens impedansgång och på musiksignalen. Det finns dessutom många exempel på högtalare som uppvisar en långt svårare impedansgång för mellanhöga och höga frekvenser än exempelhögtalaren (inte bara elektrostater).

[I-or]

OK, dags för nästa exempel. Denna gång en monsterbasmodul om 200 liter bestyckad med BMS 18N862-4 i en basreflexlåda avstämd till 18 Hz. Nu dj-vlar ska det bli höga strömstyrkor och massor av reaktiv effekt eftersom detta är vad marknadsföringen påstår.

Z-speaker example 2.png (18.13 KiB) Visad 5198 gånger

Minimumimpedans om 2,8 Ω och en fasvinkel om minimum -65°, d.v.s. en svår last.

Vi lågpassfiltrerar signalen vid 80 Hz och fläskar på med 99 Vp (70 Vrms sinus motsvarande drygt 600 Wrms i 8 Ω):


Post Malone - Beerbongs and Bentleys - Psycho (komprimerad rap med massor av bas kring 25 Hz)

Psycho U-I-P 2.png (22.02 KiB) Visad 5198 gånger

Aktiv medeleffekt uppgår Inte till mer än 47 Wrms, aktiv toppeffekt till maximalt 724 Wp och reaktiv toppeffekt till maximalt 192 Wp.

Maximal strömstyrka uppgår till måttliga 10 Ap.


Efter denna besvikelse tar vi till storsläggan, Telarcs brutala åskknall med signifikant signaleffekt ned till ca 8 Hz:


Cincinnatti Pops Orchestra - Ein Straussfest - Unter Donner und Blitz (symfoniorkester med pukor, bastrumma och en extrem åsksmäll på slutet)

Unter Donner und Blitz U-I-P.png (22.41 KiB) Visad 5168 gånger

Maximal strömstyrka uppgår till i sammanhanget begränsade 13,6 Ap. Jag missade lite i diagrammets skalning för effekten som toppar på 1090 Wp - alltid något.


Uppenbarligen hamnar en stor del av signaleffekten i närheten av framförallt den övre impedanstoppen, vilket medför att strömstyrka och effekt begränsas påtagligt.

[I-or]

Vi vet alltså hur stor maximal strömstyrka vi har, men vi kan också titta på fasvinkeln när detta inträffar. Inzoomat på tiden kring inledningen av åskknallen ser det ut så här:


Cincinnatti Pops Orchestra - Ein Straussfest - Unter Donner und Blitz (symfoniorkester med pukor, bastrumma och en extrem åsksmäll på slutet)

Unter Donner und Blitz U-I.png (36.78 KiB) Visad 5025 gånger

Vi ser att spänningen och strömmen omväxlande ligger före i fas, d.v.s. att det handlar om både positiva och negativa fasvinklar. Knallen domineras av en frekvens runt ca 38 Hz. Precis vid den högsta toppen för strömstyrkan om 13,6 A är fasvinkeln ca 33 grader. Något senare när strömstyrkan har fallit till drygt 10 A är fasvinkeln ca 45 grader.

Trots denna svåra last som drivs med en extrem signal så har vi alltså både en måttlig strömstyrka och inte alltför svåra fasvinklar. Vår virtuella förstärkare behöver alltså leverera drygt 600 Wrms i 8 Ω och en maximal strömstyrka om 13,6 Ap, vilket motsvarar ungefär 10 Arms eftersom signalen är nästan helt sinusformad. Tilläggas bör att 10 Arms motsvarar i sammanhanget futtiga 400 Wrms i 4 Ω.

Även om vi med den valda exempelhögtalaren inte har funnit någon svårare musiksignal än denna så är det förstås inte teoretiskt omöjligt att pricka in all signaleffekt runt 15-20 Hz med påföljande långt större krav på strömkapacitet för förstärkaren. Givet alla stycken som har provats (betydligt fler än de som har redovisats ovan) får detta dock sägas vara mycket osannolikt.

Med detta skrivet så lyckades jag dock gräva fram någon sorts hemsk rap av ljudeffekttyp med extrem bas runt 22-28 Hz:


OsamaSon - Uno (underground rap med hemska synthljud)

Uno U-I-P.png (24.96 KiB) Visad 5025 gånger

Maximal aktiv effekt 1363 Wp, aktiv medeleffekt 162 Wrms, maximal reaktiv effekt 343 Wp och maximal strömstyrka 16 Ap.


Om man spelar "musik" av den här typen så får man skylla sig själv, men det är fortfarande inget särskilt svårt jobb för en typisk förstärkare om 600 Wrms (1200 Wp) i 8 Ω. De extrema medelljudtrycksnivåer som uppnås med detta pådrag och denna "musik" är för övrigt ingenting som man står ut med särskilt länge.

[Tell]

OsamaSon - Uno (underground rap med hemska synthljud)
Om man spelar "musik" av den här typen så får man skylla sig själv, men det är fortfarande inget särskilt svårt jobb för en typisk förstärkare om 600 Wrms (1200 Wp) i 8 Ω. De extrema medelljudtrycksnivåer som uppnås med detta pådrag och denna "musik" är för övrigt ingenting som man står ut med särskilt länge.

Haha jävlar! Först tänkte jag att "så illa kan det väl inte vara, han är väl lite gubbig bara", men när jag drog igång den så visade det sig att jag är minst lika gubbig. Det är verkligen bara blaj som kommer ut ur hans mun, och den där basen och musiken får fått i sig så mycket kompressor så det inte finns nåt annat än oljud kvar. Men visst, djupbas fanns det åtminstone, mina små IEM vibrerade öronen ganska bra!

I övrigt så är det en intressant tråd det här! Dock är visa delar lite över min elkunskap; har du lust att förklara vad fasvinkel är?

[I-or]

Fasvinkeln mellan spänning och ström beror på att lasten är reaktiv, d.v.s. har induktiva och kapacitiva egenskaper. När lasten är helt resistiv så samvarierar spänning och ström helt utan tidsskillnad, men med en reaktiv last kan spänningen komma före strömmen och tvärtom, vilket man ser exempel på ovan.

https://sv.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4xelstr%C3%B6m


Linjära förstärkare (d.v.s. i praktiken allt utom klass D) måste dimensioneras för detta, då belastningen på effekttransistorerna ökar. Om fasvinkeln blir alltför stor så kan skyddskretsarna därför i vissa fall strypa strömmen avsevärt även om en adekvat konstruerad förstärkare inte uppvisar sådana svagheter.

Vad exemplen ovan visar är att man med musiksignaler i praktiken inte erhåller så pass svåra belastningar för förstärkaren som ibland görs gällande. Det är alltså t.o.m. för ganska svåra laster bortkastat med konstruktioner som uppträder som ideala spänningskällor, d.v.s. dubblar effekten per halvering av impedansen. Konstruktioner med överdriven strömkapacitet blir dyra och klumpiga till ingen nytta.

Dessutom framgår att den aktiva medeleffekten undantaget extremkomprimerade fonogram är mycket låg, vilket ger en begränsad uppvärmning av element och filterkomponenter i högtalaren.

[tordnilsson]

Mycket intressant tråd, en fråga: hur påverkas förstärkaren av den där back-emf från högtalaren ?

[RogerGustavsson]

När NAD 3020 kom på marknaden började allt tal om ström i stället för watt. Det blir väl sällan att den ström som anges i mätningar förekommer med rimligt konstruerade högtalare och typ förstärkare som lämnar 200 W i 4 Ohm? Jag vill minnas att det för mina Rotel-steg anges 40 A medans effekten anges till 180 W i 4 Ohm. Skulle väl bli typ 9.5 A i mina Magnepan-basar som är en resistiv last på 4 Ohm?

[I-or]

Magnepan-högtalare har delningsfilter precis som nästan alla andra högtalare och utgör därför långt ifrån resistiva laster: https://www.stereophile.com/content/mag ... asurements

Lasten kan dock inte anses vara annat än ganska lätt. Om man kopplar förbi filtret på något sätt så utgör dock elementen en nästan helt resistiv last.

Vad gäller den reaktiva effekten som skickas tillbaka till förstärkaren från högtalaren så måste denna förstås ta vägen någonstans. För linjära förstärkare så leder detta till effektutveckling i utgångssteget och för switchade dito så landar effekten i nätdelen, där det t.o.m. är möjligt att återvinna den genom uppladdning av kondensatorer.

Hur som helst är denna effekt dock flera gånger lägre än den aktiva effekten och utgör därför inget större problem i praktiken.

[Kraniet]

Nu va ju den här tråden om musik men eftersom många använder anläggningen även till film så kan man ju undra hur det skiljer sig?

[I-or]

Jag har faktiskt provat med originalmusiken till bl.a. Femte Elementet (som är känd för lågbas), men detta var inget som gav upphov till några uppseendeväckande resultat.

Ljudeffekter i film kan förstås vara en annan sak, men det blir ganska segt att filtrera timmar av signaler i Matlab för att hitta extremvärden. Helt klart är att om någon klämmer på med ett sinusartat drön vid impedansminimum runt 18-20 Hz vid 0 dBFS för exempelhögtalarna så blir strömstyrkan 16,6 Ap respektive 35,4 Ap. Man kan t.ex. tänka sig ett sinussvep från 40 Hz ned till 15 Hz eller så. Sannolikheten för att detta förekommer och dessutom utförs med fullt pådrag kan dock klassificeras som låg.

Jag har ändå provat med en hel del ljudeffekter i diverse musikstycken, där den mest krävande visade sig vara åskknallen ovan (även jämfört med kanonerna på Tjajkovskijs 1812 och en hel del annat som dörrsmällar och krascher).

[tordnilsson]

Ok, men även om det verkar vara ett mindre problem med back-emf så blir man ju lite nyfiken på om det finns några typer av högtalare / element som ger mindre sådant tillbaka till förstärkaren ?

[I-or]

Ju klenare motorstyrka, desto lägre mot-EMK. Detta är dock en riktigt dum lösning av många skäl eftersom man ersätter ett icke-problem med reella dito.

Man kan t.o.m. vända på det och säga att motorstyrkan alltid bör maximeras i aktiva konstruktioner (i passiva dito blir man tvungen att få till frekvensgången, vilket sätter begränsningar för motorstyrkan).

Som vanligt i HiFi-sammanhang blåser man i marknadsföringen upp fysikaliska detaljer och försummar verkliga problem.

[RogerGustavsson]

Magnepan-högtalare har delningsfilter precis som nästan alla andra högtalare och utgör därför långt ifrån resistiva laster: https://www.stereophile.com/content/mag ... asurements

Lasten kan dock inte anses vara annat än ganska lätt. Om man kopplar förbi filtret på något sätt så utgör dock elementen en nästan helt resistiv last.

Mina har aktiv delning mellan bas och mellanregister. I basen som har lägsta verkningsgraden är det 4 Ohm resistivt. Den passiva delningen mellan mellanregister och diskant ger en liten topp om ca 8 Ohm.

[I-or]

Jag analyserade en verklig elektrostathögtalare, men resultaten tycks av någon anledning inte hålla för en närmare granskning i detta fall. Det hela måste kontrolleras.

[I-or]

Jag fick äntligen lite tid att titta på detta och fann att analysen av den virtuella basmodulen inte stämde p.g.a. slarv. Så här ska det se ut:

Cincinnatti Pops Orchestra - Ein Straussfest - Unter Donner und Blitz (symfoniorkester med pukor, bastrumma och en extrem åsksmäll på slutet)

Unter Donner und Blitz U-I-P.png (32.65 KiB) Visad 4464 gånger

[I-or]

Nu lämnar vi de virtuella högtalarna och väljer en reell dito, trots att det kräver en del knappande för impedans- och fasgång. Faktisktianer älskar prylar. Denna genomgång är inte komplett utan att vi tittar på "motsatsen" till de dynamiska virtuella högtalarna ovan, så vi tar Martin Logan Montis som är en semiaktiv elektrostatkonstruktion med inbyggd förstärkare för det dynamiska baselementet. Det är således bara elektrostatpanelen med tillhörande passivt filter som analyseras nedan.

Z-speaker example 3.png (18.31 KiB) Visad 4460 gånger

Z-speaker example 3b.png (19.15 KiB) Visad 4460 gånger

https://www.stereophile.com/content/mar ... asurements


Som synes uppträder lasten nästan helt kapacitivt för stora delar av passbandet och impedansminimum uppgår till nästan kortslutna ca 0,7 Ω vid 20 kHz.

Eftersom impedansgången ser helt annorlunda ut än tidigare så kommer de svåraste signalerna att ha ett helt annat frekvensinnehåll med hög belastning via höga frekvenser. Vi fläskar återigen på med 56,6 Vp (40 Vrms motsvarande 200 Wrms i 8 Ω). Här blir man även tvungen att sampla upp signalen för att få en aning bättre noggrannhet för höga frekvenser som dominerar kraftigt.


Michael Ruff - Speaking in Melodies - Wishing Well (välinspelad fusion)

Wishing Well U-I-P 2.png (33.88 KiB) Visad 4460 gånger

Max strömstyrka uppgår till 48,5 Ap.

Det är naturligtvis mycket höga maxnivåer i toppoktaven (uppåt 17 kHz) som ligger bakom detta. Som jämförelse kan vi studera vad som händer med bastung musik:


Daft Punk - Random Access Memories - Give Life Back to Music (unofficial release) (elektrodisco med fläskig bas)

Give Life Back To Music U-I-P 2.png (31.63 KiB) Visad 4460 gånger

Inga större svårigheter med 15,5 Ap, vilket inte är oväntat speciellt eftersom basdelen är aktiv (Montis har extremt hög impedans för låga frekvenser). Majoriteten av populärmusikinspelningar kommer för övrigt upp i runt 20-35 Ap, så det finns anledning att se över förstärkarvalet här och verkligen ta i ordentligt om man vill klara de mest krävande inspelningarna med ordentligt pådrag.


Detta är definitivt en mycket svår last (även om det finns ännu värre konstruktioner) och att inga recensioner fullt ut uppmärksammar vidden av detta är förstås allt annat än bra. Ibland kommenteras den mycket låga impedansen i toppoktaven, men detta viftas bort och de extrema fasvinklarna lyfts inte heller fram ordentligt.

Trots att det handlar om en aktiv basdel så måste alltså förstärkaren med vissa inspelningar leverera en oerhörd massa effekt i låga impedanser samt dessutom i starkt kapacitiva fasvinklar och det är mycket få konstruktioner på marknaden som klarar detta.

[Ted_B]

Vad betyder det?
En Rotel RB-1590 klarar inte det utan skyddskretsarna stryper effekten vid så låg impedans?

[I-or]

Det stämmer. Rotel RB-1590 (och även den senare versionen av RB-1090) har aggressiva skyddskretsar som begränsar strömstyrkan: viewtopic.php?f=9&t=62400

För övrigt kan förstås en impedans om 0,7 Ω vid 20 kHz påverka förstärkarens frekvensgång med åtskilliga dB i vissa fall.

Hela den senaste serien av högtalarmodeller från Martin Logan tycks ha liknande egenskaper. Toppmodellen Neolith har t.o.m. en minimumimpedans om 0,43 Ω vid 20 kHz.

I HiFi-branschen är den rådande myten att signaleffekten i toppoktaven med musik är låg (även Stereophiles JA sprider denna myt, liksom ASR:s Amir). Detta stämmer förutsatt att man tittar på medelsignaleffekten, men toppsignaleffekten är relativt hög och i vissa fall t.o.m. mycket hög. Om lastimpedansen är låg som i det här fallet så kommer därför signaleffekten i toppoktaven att vara avgörande för den totala strömstyrka som förstärkaren måste leverera.

[tordnilsson]

Mycket intressant ! Men att det är så extremt låga impedanser och besvärliga fasvridningar var ju lite överraskande, Jag gissar att den kapacitiva last som de uppvisar är boven i dramat ?

[Kraniet]

Infinity hade väl också några såna modeller med vansinniga impedanser. Mer i hifi-kretsar var det ju en "speciell" högtalare som "visar på bristerna i förstärkaren" och behövde "matchas med rätt utrustning" för att låta bra..
(underförstått att endast en "riktigt hifi-entusiast" kan få högtalaren att prestera)

[I-or]

Mycket intressant ! Men att det är så extremt låga impedanser och besvärliga fasvridningar var ju lite överraskande, Jag gissar att den kapacitiva last som de uppvisar är boven i dramat ?

För låga och höga frekvenser uppträder Montis i princip som en kondensator med en mindre serieresistans med allt vad detta innebär (det finns även en induktiv komponent allra längst upp i frekvens). Det som räddar upplägget från ren katastrof är att fasvinkeln närmar sig noll när impedansen går mot noll i toppoktaven. Tilläggas bör att Stereophiles mätresultat inkluderar mätkablaget och att Montis utan detta uppvisar en impedans om 0,55 Ω vid 20 kHz.

Minimum för EPDR (Equivalent Peak Dissipation Resistance), vilket inkluderande fasvinkeln motsvarar den resistiva belastningen för en linjärförstärkare, är 0,41 Ω vid 14 kHz (inklusive kablage) och EPDR ligger dessutom under 1 Ω för frekvenser över 4 kHz.

Man bör även hålla i minnet att Neolith för 1,3 MSEK utgör en ännu svårare last. Jag trodde inte att den här typen av extrema elektrostatkonstruktioner förekom numer, men Martin Logan verkar minst sagt lite eljest.


(Ovan skriver jag impedansen överallt när jag strikt sett avser absolutbeloppet för densamma. Impedansen är egentligen komplexvärd, d.v.s. har en real- och en imaginärdel, men när man delar upp det hela i impedansbelopp och fasvinkel så tillåter jag mig att vara lite halvslarvig med terminologin.)

[Kraniet]

Men så det som skulle behövas för HiFi är en förstärkare som kan ge ca 150 Wrms med intermittenta toppeffekter om 1500 W?

Går det att tillverka sådana eller är det inte möjligt? Verkar ju inte vara en produkt som existerar?

[Johan_Lindroos]

Infinity hade väl också några såna modeller med vansinniga impedanser. Mer i hifi-kretsar var det ju en "speciell" högtalare som "visar på bristerna i förstärkaren" och behövde "matchas med rätt utrustning" för att låta bra..
(underförstått att endast en "riktigt hifi-entusiast" kan få högtalaren att prestera)

Precis. Det skulle vara kul om du Isidor har lust/tid att göra en liknande simulering för Infinity Kappa 9 som har den extremt låga impedansen i basregistret vill jag minnas. Jag har hört om någon som har spelat sönder högtalarnas filter så att de smälte sönder. Han spelade då med Krell om jag inte minns fel.

[I-or]

Jo, det skulle man förstås kunna tänka sig om någon kan skaka fram fasgången (jag har bara tillgång till impedansgången). Kramers–Kronig-relationerna kanske kan användas om man måste nöja sig med impedansgången, men då måste man förstås grotta med det också.

[I-or]

Men så det som skulle behövas för HiFi är en förstärkare som kan ge ca 150 Wrms med intermittenta toppeffekter om 1500 W?

Går det att tillverka sådana eller är det inte möjligt? Verkar ju inte vara en produkt som existerar?

Nja, för minst 95 % av alla högtalare så behöver man ingenting annat än en normal förstärkare. Även om det inte är vanligt så finns det konstruktioner med massor av parallella effekttransistorer med likaledes överdimensionerade nätdelar som kan leverera monstruösa strömstyrkor i nästan vilken fasvinkel som helst.

[nuffe]

Exempel på såna monster?

[Neuhausen]

Jag misstänkte vad jag skulle hitta baserat på seriekapacitensen i tex KEF 105. Men här verkar de ha dragit ur alla stopp.

infinity_rs-9_kappa_340w_speaker_system_sm.pdf_2.png (20.78 KiB) Visad 5322 gånger

Jag är inte säker på att jag får det rätt med VituixCAD, men det verkar dra ner f3 ungefär 10Hz och närmast skapa kortslutning.

[I-or]

Ja, det är en märklig lösning: viewtopic.php?p=2319470#p2319470

[I-or]

Exempel på såna monster?

Bl.a. Classé, Gryphon, Krell, Perreaux och Mark Levinson producerar eller producerade en hel del rejält överdimensionerade modeller som i princip kan användas som svetsaggregat: https://www.audiosciencereview.com/foru ... 14ee439af6

Om det "bara" handlar om ca 50 Ap som i fallet ovan så kan listan dock göras betydligt längre. Myten om kraven på strömkapacitet har som tur är alltmer förpassats till skräphögen och dagens konstruktioner har oftast en vettigare dimensionering. Överdimensionering i diverse sammanhang är både dyrt och klumpigt men är mycket vanligt förekommande p.g.a. HiFi-världens virrvarr av myter.

[kimmen]

Jo, det skulle man förstås kunna tänka sig om någon kan skaka fram fasgången (jag har bara tillgång till impedansgången). Kramers–Kronig-relationerna kanske kan användas om man måste nöja sig med impedansgången, men då måste man förstås grotta med det också.

Om man har något program som kan räkna fram minfas för amplitudresponser (kanske VituixCAD?) borde man kunna använda det för att ta fram fasen för induktansen så länge man håller tungan rätt i mun med representationen av datan: är det dB magnitud + fas, linjär magnitud + fas eller är det komplexvärd linjär magnitud?

Att impedansen måste ha minfasbeteende följer av att den själv är kausal (tittar inte in i framtiden) och stabil (annars skulle spänningen U = ZI spåra ur av sig själv när inget är inkopplat till högtalaren dvs. I = 0) tillsammans med att detsamma måste gälla för impedansens invers, admittansen. Annars skulle strömmen I = YU spåra ur av sig själv när högtalarens poler är kortslutna dvs. U = 0.

Lite mer generellt kan man säga att det gäller för självimpedansen/admittansen för alla portarna på godtycklig linjär passiv n-port.

[I-or]

OK, eftersom Infinity Kappa 9 brukar anses vara monstret av alla monster så slutade jag att lata mig och lade 15 minuter på att titta närmare på frågan.

Fasgång ur amplitudgång i minfasfallet:

minphase = -imag(hilbert(log(abs(H))))

(Spektrum måste innehålla negativa frekvenser för att Matlabs hilbertfunktion ska fungera korrekt. Man får lägga till unwrap (för undvikande av faskast) i det allmänna minfasfallet när fasvinkeln kan variera mellan -pi och pi radianer.)

Jag uppskattar impedansen till ca 3,5-4 Ω för låga frekvenser som vi inte har mätresultat för när det gäller Infinity Kappa 9. Detta har dock försumbar betydelse.

Då ser det ut p.f.s:

Infinity Kappa 9 impedance.png (23.68 KiB) Visad 4916 gånger

https://www.diyaudio.com/community/thre ... ns.283578/


Som synes läskiga impedansminima och dito fasvinklar. Vi trycker sedan som vanligt på med en maxspänning om 56,6 Vp (d.v.s. motsvarande 200 Wrms i 8 Ω).


Michael Ruff - Speaking in Melodies - Wishing Well (välinspelad fusion)

Wishing Well U-I-P 4.png (33 KiB) Visad 4916 gånger

Post Malone - Beerbongs and Bentleys - Psycho (komprimerad rap med massor av bas kring 25 Hz)

Psycho U-I-P 4.png (34.88 KiB) Visad 4916 gånger

The Weeknd - Starboy - I Feel It Coming (komprimerad pop med en hel del hårdlimiterade/klippta toppar framförallt för höga frekvenser)

I Feel It Coming U-I-P 4.png (32.45 KiB) Visad 4916 gånger

Daft Punk - Random Access Memories - Give Life Back to Music (unofficial release) (elektrodisco med fläskig bas)

Give Life Back To Music U-I-P 4.png (31.58 KiB) Visad 4916 gånger

AC/DC - Back in Black - You Shook Me All Night Long (röjig rock)

You Shook Me All Night Long U-I-P 4.png (33.03 KiB) Visad 4916 gånger

Cincinnatti Pops Orchestra - Ein Straussfest - Unter Donner und Blitz (symfoniorkester med pukor, bastrumma och en extrem åsksmäll på slutet)

Unter Donner und Blitz U-I-P 4.png (33.01 KiB) Visad 4916 gånger

Som synes uppnår vi knappt 59 Ap som mest, även om det inte är många som kommer att spela hårt komprimerade I Feel It Coming på fullt blås. Denna högtalare är extra lurig p.g.a. svåra egenskaper både för låga och höga frekvenser. Vi har alltså en vinnare även om marginalen till Martin Logan Montis inte är gigantisk. Dock bör tilläggas att man med en mycket tydlig majoritet av icke söndermastrade låtar klarar sig med ca 23-40 Ap för populärmusik, vilket förstås inte är lite det heller.

[Johan_Lindroos]

Tack för riktigt fin analys, Isidor!

Att de kan anses felkonstruerade, tycker jag man kan säga med rätta med dessa fina kurvor. I och med att man måste ha extrema förstärkare = inget vidare bra för kunderna som köpte dessa* . Och dessutom; har man extrema förstärkare som man då använder för att lyssna på musik hyfsat starkt = ja då går istället högtalarna sönder. Detta ger sammantaget att man kan tillåta sig få tycka ovanstående.

Jag hade inte tänkt på att Kappa 9 har så pass låg impedans även där vid 7 á 8 kHz. Mest mindes jag att de har låg impedans i basregistret. Svårt att utläsa i kurvorna om det är basen eller 7-8 kilohertzaren som ger de höga toppströmmarna. Har du någon uppfattning i frågan?


*) De var inte så jättedyra vid tiden det begav sig och jag kan tänka mig att en del medelsvensson köpte dem för att de tyckte de "lät bra och var snygga" men i övrigt kanske inte visste så mycket om hajfaj.

[I-or]

Det varierar kraftigt med dominans vid ca 7 kHz för komprimerade och fullimiterade I Feel It Coming:

I Feel It Coming U-I-P 4 zoom.png (18.85 KiB) Visad 4850 gånger

Och ca 9 kHz för välinspelade, pådragslyssningsbara och därför kanske mer rättvisande Wishing Well:

Wishing Well U-I-P 4 zoom.png (17.13 KiB) Visad 4850 gånger

Till ca 39 Hz med ganska kraftiga inslag av högfrekvens för bastunga Psycho:

Psycho U-I-P 4 zoom.png (24.53 KiB) Visad 4850 gånger

Och ca 33 Hz för åsksmällen i Unter Donner und Blitz:

Unter Donner und Blitz U-I-P 4 zoom.png (24.19 KiB) Visad 4850 gånger

Jag tror att det överlag är mer illustrativt att titta på signalerna i tidsplanet i det här fallet. Notera att tidsskalorna varierar mycket kraftigt. Man ser tydligt i tidsdata att strömmen ibland sticker iväg på ett märkligt sätt relativt spänningen även utan speciellt tydliga transienter och detta beror ofta på att frekvensinnehållet i signalen råkar träffa ett högfrekvent impedansminimum.

[I-or]

Jag upptäckte att jag måste ha varit lite hjärnslö när jag extrapolerade impedansen under 20 Hz. Naturligtvis stiger den konstant, då lågpassgrenen ovanligt nog innefattar en seriekopplad kondensator. Detta har dock i praktiken ingen betydelse alls utom för åsksmällen i Unter Donner und Blitz som får något lägre maximal strömstyrka.

Ungefär så här ska impedansgången se ut:

Infinity Kappa 9 impedance_corr.png (19.77 KiB) Visad 4774 gånger

[PerStromgren]

Att de kan anses felkonstruerade, tycker jag man kan säga med rätta med dessa fina kurvor.

Du får medhåll från siganturen System7 i ett inlägg på diy.com den 9/12 2015:

This is about the worst speaker design I have ever seen. It is not fit for purpose. It is full of elementary mistakes. It will damage most solid state amplifiers.

[I-or]

Nja, att högtalaren skulle "damage most solid state amplifiers" kan jag inte hålla med om, men visst hade nog Inifinitys konstruktörer lite otur när de tänkte i fallet Kappa 9.

Diskussionen har varit uppe tidigare, senast här: viewtopic.php?p=2319470#p2319470

[LeifB]

Är det inte bäst att hålla sig så långt bort från Kappa 9 som möjligt. Har hört dom och de lät bra.
Men inte värt att bränna slutsteg i parti och minut.

[I-or]

Som skrivet var så bränner man inte ett adekvat konstruerat slutsteg, då skyddskretsarna finns där av en anledning.

Om man är intresserad av denna högtalare så får man helt enkelt se till att välja förstärkare efter strömkapacitet eller hålla sig till lite mer begränsade ljudtrycksexcesser.

[kimmen]

Mycket intressant som vanligt.

Det skulle vara intressant att se spänning (Y) mot ström (X) plottade för någon normal högtalares impedans.
Vissa förstärkare har ju snabbverkande spänningsberoende strömbegränsning.
En ganska vanligt form är att positiva sidan har konstant strömbegränsning under 0 V med en brytpunkt där och linjär ökning däröver.
I en sån graf skulle man ju kunna se högtalarlastens interaktion med såna skyddskretsars karaktäristik.
Även de som har fler brytpunkter skulle vara lätta att jämföra, för jag undrar lite om såna verkligen är meningsfulla.

[I-or]

För denna övning väljer vi Monitor Audio 300 som har en ganska normal impedansgång:

Monitor Audio 300 impedance.png (23.61 KiB) Visad 4531 gånger

https://www.stereophile.com/content/mon ... asurements


Michael Ruff - Speaking in Melodies - Wishing Well (välinspelad fusion)

Wishing Well U-I-P 5.png (33.8 KiB) Visad 4531 gånger

Wishing Well U-I 5.png (20.8 KiB) Visad 4531 gånger

AC/DC - Back in Black - You Shook Me All Night Long (röjig rock)

You Shook Me All Night Long U-I-P 5.png (33.59 KiB) Visad 4531 gånger

You Shook Me All Night Long U-I 5.png (18.54 KiB) Visad 4531 gånger

Daft Punk - Random Access Memories - Give Life Back to Music (unofficial release) (elektrodisco med fläskig bas)

Give Life Back To Music U-I-P 5.png (32.49 KiB) Visad 4531 gånger

Give Life Back To Music U-I 5.png (15.33 KiB) Visad 4531 gånger

Post Malone - Beerbongs and Bentleys - Psycho (komprimerad rap med massor av bas kring 25 Hz)

Psycho U-I-P 5.png (35.12 KiB) Visad 4531 gånger

Psycho U-I 5.png (20.94 KiB) Visad 4531 gånger

Maximal strömstyrka ligger med den någorlunda normala lasten vid ca 13 Ap med ostympade och i detta fall ganska krävande musiksignaler samt ca 18 Ap med söndermastrade och krävande musiksignaler.

Vi ser att ström/spännings-"korven" har en liknande form för samtliga icke söndermastrade låtar. Psycho har dock en helt annan form som beror på en hög grad av kompression/limitering (detta syns även i medeleffekten som är ca 5-20 gånger högre än för övriga spår). Det handlar om i huvudsak linjära flanker upp till nära maximal spänning. (En rent resistiv last ger för övrigt upphov till en diagonal rät linje som passerar genom origo.)

Dessutom ser vi betydligt mer reaktiv effekt i fallet Psycho som producerar en riktig fläskkorv, något som huvudsakligen beror på mycket höga signalnivåer runt ca 25-50 Hz.

Rent allmänt så är kunskapen kring hur musiksignaler påverkar systemen begränsad inom audioområdet och därför höftas många lösningar. Dock är det naturligtvis avgörande att produkterna inte skadas vid någorlunda normal användning, varför man oftast överdimensionerar för maximal livslängd även under svåra omständigheter.

[kimmen]

Wow, tack!

Imponerande skillnad mellan dem. Toppströmmen på den värsta motsvarar vad man skulle få i en resistiv last på 3.1 Ω vilket är lägre än den lägsta impedansdalen som är ca 4 ohm. Strömmen är alltså 30% högre än vad som skulle gå att få med en oklippt sinusvåg i steady state.

Med det sagt så är det ju inte i närheten av så illa som vissa visat skulle vara teoretiskt möjligt med väldigt specifika signaler. Och 1.3 är ju faktorn mellan en fyrkantsvågs amplitud och dess grundtons amplitud, så antar att det är nåt sånt som händer här: en hårt limiterad signal som ser ut som en fyrkantsvågs grundton träffar impedansminimum...

Kod: Markera allt

beräkning: 56.6 / array([13.4, 11.4, 8.9, 18.2])
Resistanser: array([4.2238806 , 4.96491228, 6.35955056, 3.10989011])

Bifogat är de två ytterligheterna med hjälplinjer som motsvarar olika resistiva laster samt en single-slope-gräns anpassad för att klara storkorven.

[I-or]

Det stämmer även om minimumimpedansen är 3,63 Ω, så det handlar om ca 17 % mer än värstafallet med sinus.

Nu är det förvisso osannolikt att någon skulle skicka in 56,6 Vp i MA Silver 300 för spåret Psycho som har en toppfaktor om ca 10 dB, så man bör se detta som ett extremfall. Det är nog mer realistiskt att titta på Wishing Well med en maximal strömstyrka om 13,4 Ap, där det via den höga toppfaktorn, d.v.s. den begränsade medelljudtrycksnivån, är ganska lätt att dra på fullt utan att få ont i öronen.

[Conan]

Det stämmer även om minimumimpedansen är 3,63 Ω, så det handlar om ca 17 % mer än värstafallet med sinus.

Nu är det förvisso osannolikt att någon skulle skicka in 56,6 Vp i MA Silver 300 för spåret Psycho som har en toppfaktor om ca 10 dB, så man bör se detta som ett extremfall. Det är nog mer realistiskt att titta på Wishing Well med en maximal strömstyrka om 13,4 Ap, där det via den höga toppfaktorn, d.v.s. den begränsade medelljudtrycksnivån, är ganska lätt att dra på fullt utan att få ont i öronen.

Väldigt intressant tråd! Det skulle verkligen vara grädde på moset att få uppleva hur det lät med alla musikexemplen spelade på den nivån med t.ex. ett par av dom där MA-högtalarna i ett normalt vardagsrum från normalt lyssningsavstånd.

[kimmen]

Nej det är ju sant att man kanske inte spelar den på full blås

Intressant annars hur den där högtalaren kallas för 8 ohm nominell impedans: inte mycket på den kurvan som är över 8 ohm.
Peakströmmen som behövs är betydligt mer (2-3 ggr) än vad nominella impedansen föreslår, men den största delen av det kommer från att faktiska impedansen är mycket lägre än den nominella med bara 17% värre toppvärde än en steady state sinus vid impedansminimum.

Det verkar ju som att i alla de tidigare exemplen med galna impedanser så kommer man ganska nära toppspänningen delad på impedansminimum.
Jag kan tänka mig att korvarna för Infinity och Martin Logan ser betydligt värre ut...

[I-or]

Väldigt intressant tråd! Det skulle verkligen vara grädde på moset att få uppleva hur det lät med alla musikexemplen spelade på den nivån med t.ex. ett par av dom där MA-högtalarna i ett normalt vardagsrum från normalt lyssningsavstånd.

Det handlar om hyggligt känsliga högtalare som matas med en spänning om 40 Vrms, d.v.s. +23 dB relativt 2,83 Vrms, så bra tryck lär det vara även om både högtalardistorsion och medelljudtrycksnivå i praktiken gör Psycho olyssningsbar. Wishing Well med dess höga toppfaktor om 23 dB (13 dB högre än Psycho ) lär gå betydligt bättre och distorsionen blir också lättare att stå ut med i det fallet.

Ytterligare en faktor som blir av vikt här är att olinjäriteten speciellt för baselementen kommer att ändra en del på den maximala strömstyrkan vid så pass kraftigt pådrag. Om högtalaren ger upp fullständigt innan förstärkaren strömbegränsar så spelar dock den senares egenskaper mindre roll.

[kimmen]

Jag lyssnade just genom spåren på Spotify och tänkte då att det inte var så stor skillnad i ljudnivå, men det visar sig ju att Spotify normaliserar till -14 dB LUFS enligt ITU-1770.
Så kanske blir resultatet för toppström och korvens form omvänt ifall man istället för samma toppnivå säger att man spelar på samma nivå baserat på LUFS.

Sen blir väl olika former av begränsning olika när väl skydd utlöses.

Många hemaudioprylar använder en grov och ganska hög strömbegränsning baserad på effekttransistorernas strömförstärkning med mutingrelät utlöst efter man överskridit gränser liknande den i min graf (eller en viss konstant ström) mer än en viss tid. Vid utlöst muting görs omförsök efter några sekunder. De här kretsarna blir typiskt väldigt enkla. Det låter väl också perfekt fram till att skyddet löser ut och då blir det knäpptyst.

En annan vanlig variant är snabbverkande foldback-strömbegräsning med kurvor liknande i min graf.
Jag kan tänka mig att man om man löser ut en sån kan det låta och bete sig riktigt illa eftersom utgångsimpedansen på förstärkaren blir negativ när begränsningen arbetar.
Induktiv last ger pulser till motsatta matningsspänningen vid begränsning...

En tredje variant jag sett är när man sänker strömgränsen "långsamt" vid överbelastning (QSC RMX), förklipper spänningen eller komprimerar signalen linjärt (med hjälp av VCA, t.ex. i Crest CA-serien).
En fördel där är väl att det fortsätter att låta men med begränsad nivå istället för att få cykliska avbrott eller oljud.

[I-or]

De exempel som använts ovan har följande egenskaper:

Music.png (19.53 KiB) Visad 3631 gånger

Om man skulle spela upp samtliga spår med en konstant medelnivå enligt ITU-R BS.1770-4 / EBU R 128 så skulle förstås resultaten bli klart annorlunda - typiskt med Wishing Well och Unter Donner und Blitz som svåraste fall.

Psycho tappar i det fallet som synes 11 dB (förutsatt att spåret Ein Straussfest är utstyrt till nära 0 dBFS, vilket det är), d.v.s. att toppströmmen reduceras till i sammanhanget ynkliga ca 5,1 Ap.

Nu fungerar det dock tyvärr inte på detta sätt med strömningstjänsterna som, förutsatt att användaren har aktiverat normalisering, normaliserar till mellan -14 och -16 LUFS, men även i dessa fall blir resultaten tydligt påverkade.

[I-or]

Nedan finner vi för övrigt ström/spänningskorven för favoritexemplet Wishing Well med Martin Logan Montis:

Wishing Well U-I 6.png (44.56 KiB) Visad 3546 gånger

Vi ser en mycket intressant form på korven med totalt olika egenskaper för olika delar av låten. När högfrekvensen kommer igång sticker strömmen iväg något oerhört och den flacka vinkeln för ellipserna relativt x-axeln visar tydligt på den låga impedansen här.

[kimmen]

Vilken fin köttbulle det blev av korven...

Den positiva toppströmmen inträffade vid en väldigt låg spänning (nästan helt kapacitiv last?) men det ser ju ut som att den inte varade så länge.
Det känns som stor risk att det löser ut skyddskretsar om de är snabbverkande sort.

Men vad det gäller att bränna förstärkarens transistorer så är det nog inte fullt så illa som det först ser ut på grund av deras termiska tröghet och den höga impedansen i basen.
Tar man som exempel 2SC5200 vid 25 grader Tc så tål den 150 W.
Redan vid 100 ms single-pulse så är man uppe i 300 W, för 10 ms 600 W och för 1 ms 1.8 kW.
Visst behövs det derating för högre temperatur och realistisk kylning, men det är nog ändå medeleffektförlust över tidsspann >10 ms som spelar roll.

Och det är ju något som EPDR inte tar hänsyn till. Varken transistorskada eller vettiga skyddskretsar borde bry sig om ögonblicklig peakeffekt.

Den där Infinity är nog betydligt värre med sitt impedansminimum i basen där medeleffekterna kan vara betydligt högre och effekttopparna pga. reaktiv last börjar bli långa tider i förhållande till vad transistorer tål.

[I-or]

Japp, fasvinkeln för Martin Logan Montis är kraftigt negativ när maxströmmen om -48,5 Ap uppkommer för Wishing Well (notera det kortvariga tidsförloppet och korresponderande höga frekvenser):

Montis Wishing Well Imax.png (27.87 KiB) Visad 2857 gånger

Som skrivet var behöver man sällan vara orolig för förstärkarhaveri ens med elaka laster, men strömbegränsning kommer ofta att vara ett faktum här. Många implementeringar av strömbegränsning är ganska enkla och är av lätt insedda skäl dimensionerade för god apparatlivslängd snarare än höga audioprestanda.