Portmätning - hur bra är min basreflex?

[I-or]

Denna tråd behandlar olinjäriteter för basreflexportar. Man måste här ta hänsyn till två principiellt olika typer av olinjäriteter - dels turbulensgenerering som leder till harmoniska övertoner och dels turbulensgenerering som leder till olika former av brus. Detta brus är huvudsakligen bredbandigt men turbulensen exciterar även pipmoder i porten, vilka är tonala och därmed erhåller högre hörbarhet. Bezzola har tydligt visat på hur detta faller ut via ganska omfattande lyssningstest i den rapport som länkas till ovan.

Den diskussion angående linjära (lågnivå-)egenskaper för basreflexhögtalare som har förts ovan har ingenting med detta att göra. Varken harmoniska övertoner eller brus uppstår vid låga nivåer och eftersom basmoduler vanligen har en övre gränsfrekvens som ligger ett par oktaver under den första pipresonansfrekvensen så är pipresonanser en icke-fråga här.

Utöver själva portens olinjäriteter bör man även känna till att det vid höga ljudtrycksnivåer uppstår luftfjädringsolinjäriteter för den Helmholtz-resonans som utgör grunden för basreflexkonstruktioner. Ytterligare uppträder även elementet aningen olinjärt trots att konrörelserna är små vid avstämningsfrekvensen. Dessa olinjäriteter leder dock enbart till harmonisk distorsion.

(Rent allmänt så bör man känna till att linjära system bara kan producera samma frekvenser i utsignalen som i insignalen. Olinjära system kan dock oavsett insignal producera allsköns oljud, vilket tydliggörs i mätresultaten för Primus 140 ovan, där en insignal om 70 Hz sinus förvandlas till en komplex utsignal om 70 Hz sinus, bredbandigt brus, smalbandigt pipresonansbrus och harmoniska övertoner.)

[I-or]

För mätningar av portolinjäriteter gäller följande:

1. Välj gärna RTA 1/12 octave i REW, då vi är intresserade av inte bara distorsionen utan även brus och konstant relativ bandbredd är att föredra när det handlar om hörbarhet. Smalbandiga mätningar med konstant absolut bandbredd korrelerar illa med vad vi hör.

2. Placera den vindskyddade mikrofonkapseln några cm vid sidan av porten så att inte mikrofonturbulens stör mätningen (om man är osäker på avståndet så kan man flytta bort mikrofonen en bit extra och se om skillnaden mellan grundtonsnivå och brusnivåer ökar). Det ser ut som om mätningarna för den högsta nivån för basmodulen ovan drabbas av vindbrus från turbulens som bildas kring mikrofonkapseln (vilket är en artefakt från mätuppställningen och inte vad vi är ute efter).

3. Se upp med maximal ljudtrycksnivå för UMIK-1. Om man överskrider 115 dB så bör man sänka förstärkningen internt i mikrofonen.

4. Man bör helst även presentera mätresultat för bakgrundsnivån så att man kan vara säker på att denna inte påverkar resultaten i någon högre grad (i praktiken inträffar potentiell påverkan endast vid litet pådrag).

[Maarten]

...och eftersom basmoduler vanligen har en övre gränsfrekvens som ligger ett par oktaver under den första pipresonansfrekvensen så är pipresonanser en icke-fråga här.

Jag tycker att det är synd om tråden begränsas till att bara handla om basmoduler då basreflex är en vanlig (vanligaste?) princip för högtalare. Men mellan raderna läste jag in problemen som kan uppstå vid bredare användning av basreflex

Jättebra mätanvisning, tack för den!

[I-or]

Jag såg att det tidigare har erbjudits en del detaljer kring olinjära effekter orsakade av turbulens och pipresonanser för strömningsakustiknörden:

För övrigt är det huvudsakligen den första pipmoden i längdled (runt 300 Hz för en portlängd om ca 50 cm) som exciteras av turbulensen och gör denna extra hörbar med ett tydligt brusband som sticker upp ur allmänbruset från turbulensen. Detta brusband har förstås konstant frekvens och därmed en helt annan signatur än harmoniska komponenter från konen. Intressant nog är det pipresonanserna som styr virvelavlösningsfrekvensen och systemet blir därför självförstärkande (alltså slumpmässig störning -> pipresonans -> periodisk störning). Detta gäller dock alla portar oavsett utformning när turbulensen uppnår en viss nivå, men problemet med cirkulära portar är att de uppnår periodisk virvelavlösning á la Strouhal vid portavstämningsfrekvensen (inte bara vid pipresonansfrekvenserna, alltså) redan vid relativt låga strömningshastigheter. Om man är orolig över de problem som pipresonanserna orsakar kan man lätt sänka nivån för dessa med 10-20 dB genom en smart placering av hål i bukområdena (avstämda resonatorer är ännu fiffigare) eller elastiska portväggar här. Detta är dock överkurs, speciellt när portarna har strömningsoptimerats.

Hörselns med frekvensen ökande känslighet ger ganska hög hörbarhet för pipresonansbruset med en sinussignal in även om det ligger mycket långt under grundtonen i nivå. Man hör detta brus tydligt även när det ligger -50 till -60 dB relativt grundtonen med en sinus vid avstämningsfrekvensen. Dock är hörbarheten låg med ett typiskt musikspektrum som jämförelsevis leder till intermodulationsprodukter om kanske -30 dB från konens olinjära rörelser. Det bör inte komma som någon överraskning att nästan allt låter illa med ett sinussvep (som förstås saknar all form av maskering).

Slutligen måste man hålla i minnet att strömningsakustik är ett extremt komplicerat ämnesområde med vanligtvis extremt stora skillnader mellan teori och praktik...

viewtopic.php?p=2202767#p2202767


Vad gäller de linjära effekterna för pipresonanser, vilka alltså kan vara problematiska för fullspektrumhögtalare, finner man en del information här: viewtopic.php?p=2355967#p2355967

[I-or]

Ytterligare ett exempel som visar på motsatta problem mot turbulensmonstret Infinity Primus 140 är den lilla basmodulen Yamaha NS-SW200. Även denna gång mätning med vindskyddad mikrofonkapsel placerad några cm vid sidan av portmynningen:

Yamaha 1.png (42.23 KiB) Visad 1474 gånger

40 Hz sinussignal vid relativt låg nivå (basmodulen är av aktiv typ). Distorsionen är givet den låga frekvensen närmast försumbar som sig bör.

Yamaha 2.png (42.47 KiB) Visad 1474 gånger

40 Hz sinussignal vid måttlig nivå (+10 dB). Ett ganska eländigt element (möjligen defekt) producerar här en del andratonsdistorsion och en hel del skrammel, vilket utgör den ljudande begränsningen. Det tycks även som att elektroniken inför en viss kompression. Strömningshastigheten i porten är inte mer än ca 5 m/s (RMS) men en aning portbrus börjar att framträda även om den generella nivån är låg (se nedan angående portmynningen). Elementskramlet är orsaken till den taggiga toppen runt 0,7-3 kHz. Förstärkaren producerar någon form av tonalt skräp runt 7 kHz.

Yamaha 3.png (28.19 KiB) Visad 1474 gånger

Bakgrundsnivå. UMIK-1 dominerar brusnivån över ca 7 kHz.

preview.jpg (54.19 KiB) Visad 1474 gånger

Yamahas ingenjörer arbetade en hel del med utformningen av porten, där mynningen är utformad för att expandera och även i viss mån rotera flödet axiellt längs sidorna (Twisted Flare Port https://se.yamaha.com/sv/audio/home-aud ... /ns-sw200/). Tyvärr klämde de dit ett skramligt element och en förstärkare som vid pådrag genererar tonalt skräp runt 7 kHz...

Jag har skrivit det förut och skriver det igen: med hyggligt utformade portar är det sällan som diverse portskräp utgör de värsta ljudande problemen. Mer allmänt känd elementdistorsion är ett betydligt värre problem i 9 fall av 10. Dock är jag även väl medveten om att faktisktianer helst vill ha både hängslen och livrem, vilket förstås är skälet till att diskussioner som denna ständigt dyker upp.

[Hjalmar_Branting]

Ska försöka mig på nya mätningar igen utifrån er input, kommer nog inte ske idag.

[I-or]

En sak till: om man inte vill böka med förstärkningen för UMIK-1 så kan man flytta mikrofonen ytterligare en bit åt sidan för att ljudtrycksnivån ska sjunka till 115 dB (1 % THD). Om avståndet blir för stort så kommer dock framförallt rumsbidragen men även bakgrundsnivån att börja göra sig gällande.

[johaneriksson]

En sak till: om man inte vill böka med förstärkningen för UMIK-1 så kan man flytta mikrofonen ytterligare en bit åt sidan för att ljudtrycksnivån ska sjunka till 115 dB (1 % THD). Om avståndet blir för stort så kommer dock framförallt rumsbidragen men även bakgrundsnivån att börja göra sig gällande.

Om man kan tänka sig att betala för någon mikrofon som klarar lite högre ljud, vad ska man köpa då?

[jonasp]

Jag använder Earthworks M30 (140 dB). Den kräver förstås fantommatning.

[I-or]

En sak till: om man inte vill böka med förstärkningen för UMIK-1 så kan man flytta mikrofonen ytterligare en bit åt sidan för att ljudtrycksnivån ska sjunka till 115 dB (1 % THD). Om avståndet blir för stort så kommer dock framförallt rumsbidragen men även bakgrundsnivån att börja göra sig gällande.

Om man kan tänka sig att betala för någon mikrofon som klarar lite högre ljud, vad ska man köpa då?

Det smartaste är att köpa UMIK-1, som är en utmärkt och oerhört praktisk mätmikrofon, öppna den och ställa ned förstärkningen till 0 dB istället för +18 dB som är standard. På så sätt klarar man 133 dB vid 1 % THD.

Utöver UMIK-1 har jag en fantommatad och högklassig 01dB/G.R.A.S MCP212 som uppvisar THD om 3 % vid 146 dB, men bättre mätmikrofoner som denna är oskäligt dyra i mitt tycke.

[petersteindl]

Jag använder Earthworks M30 (140 dB). Den kräver förstås fantommatning.

+1
Använder också Earthworks M30.

Line Audio Design i Skåne bygger prisvärda mikrofoner och mikförstärkare med fantommatning. Tror han heter Roger som har företaget. Han var tidigare på forumet. Vet inte om han fortfarande är verksam.

[Morello]

Roger Jönsson driver:
https://www.lineaudio.se/

[Hjalmar_Branting]

Gjorde en ny mätning.
Bakgrundsbruset tog jag ingen bild på, det var väldigt lågt och i med att jag inte lyckades få bruskurvan att hamna på samma plot så skippade jag den.
Valde spectrum istället för peak, 1/12 läget.
Flyttade bak micken så den var ca 2-3cm vid sidan om porten.
25Hz sinus som tidigare.
Distorsionensvärde syns i rutan.
Fortfarande ingen RMS multimeter tillgänglig.

Nått mer som önskas?

[I-or]

Mja, om man bara glättar smalbandsresultaten så mäter man inte samma sak. Man bör välja inställningar i REW enligt nedan:

REW settings.png (29.1 KiB) Visad 1320 gånger

För övrigt så har din slitsport en relativt stor tvärsnittsarea (d.v.s. låg strömningshastighet för en given ljudtrycksnivå) och antagligen även en bra form. Elementet är också bra, så vi lär knappast se några fula egenskaper.

[I-or]

Nästa mätuppgift blev en gammal basmodul som jag för ca 20 år sedan slängde ihop på ca 2 timmar genom att förse en överbliven TV-hurts från IKEA och lite extra skivmaterial med ganska slarviga slitsportar som har en relativt skarp övergång till 15 graders enkelsidig expansion. Bestyckningen är två 8"-element från Peerless med ett xmax om 8,4 mm. Avstämningsfrekvensen är 24 Hz.

Portarean är relativt stor så det var ganska bra tryck med en maximal strömningshastighet om ca 20 m/s (RMS) inne i portarna och ca 5 m/s (RMS) i portmynningarna. Jag var tvungen att trycka mot altandörren för att den inte skulle skallra och i övervåningens labb rakt ovanför basmodulen ramlade lite skräp omkull. I-ora kom hem under mätningen och undrade om hon tidigare hade råkat slå på tvättmaskinen av misstag.

BM2.jpg (115.35 KiB) Visad 1266 gånger

24 Hz sinussignal vid 8,8 Vrms. Måttlig nivå ger mycket låg distorsion (ca 0,8 % andratonsdistorsion) och låga brusnivåer.

BM1.jpg (114.85 KiB) Visad 1266 gånger

24 Hz sinussignal vid 27,8 Vrms (ca 60 Wrms) (+10 dB). Strömningshastigheten är ca 20 m/s (RMS) inne i porten och ca 5 m/s i portmynningarna. Vi ser en kompression om drygt 2 dB och en kraftig ökning av brusnivåerna. Notera den tydliga pipresonansen kring 470 Hz. Andratonsdistorsionen är för frekvensen närmast försumbara ca 5 %, men subjektivt börjar man utan maskering precis att uppfatta det typiska lite hostande ljudet från portarna när turbulensen kommer igång.

BM3.jpg (111.12 KiB) Visad 1266 gånger

Bakgrundsnivåer.


Konstruktionen dimensionerades för en gränshastighet om 10 m/s (RMS) i mynningarna, vilket den nätt och jämnt klarar om man är snäll. Sammantaget en adekvat konstruktion för allt annat än jättestora rum, vilket jag förstås har noterat subjektivt även tidigare.

[jonasp]

Snyggt I-or! Får man fråga vilket peerless-element det är och ungefärlig volym på lådan?

För de som inte nördat ner sig så mycket i detta vill jag påpeka att varje oktav ner ger 12 dB högre amplitud eller annorlunda uttryckt vid 20 Hz måste man flytta 4 ggr mer luft än vid 40 Hz, om ni nu jämför Yamaha-modulen ovan med I(kea)or-modulen här senast.

Infaller störljudet vid 470 Hz exakt vid pipresonansfrekvensen f=c/(2*L) eller ca 36,5 cm i detta fall?

[I-or]

Förutom att man måste flytta mer luft vid låga frekvenser så faller även gränshastigheten ungefär med kvadratroten ur frekvensen när flödet alltmer närmar sig det statiska och turbulensvirvlarna under cyklerna får mer tid på sig att uppstå.

Kavitetsvolymen är ca 70 liter och elementen är en äldre version av SLS-P830667: https://doc.soundimports.nl/pdf/brands/ ... 830667.pdf.

Den första pipresonansfrekvensen motsvarar en halvvåglängd som är aningen större än den fysiska längden, så portlängden bör vara ca 35 cm.

[jonasp]

Förutom att man måste flytta mer luft vid låga frekvenser så faller även gränshastigheten ungefär med kvadratroten ur frekvensen när flödet alltmer närmar sig det statiska och turbulensvirvlarna under cyklerna får mer tid på sig att uppstå.

(min fetmarking)

Tack I-or, då kommer en följdfråga: beror detta på sambandet

Sh = ( v / ( 2*pi*a^2 ) ) ^ (1/2)

eller

delta = (2v / omega ) ^(1/2) = ( v / (pi*f) ) ^ (1/2)

dvs för samma shear wave number eller boundary layer thickness så måste vi sänka hastigheten för att kompensera för den sänkta frekvensen? (Notera att v ovan inte är hastighet utan kinematisk viskositet)

[jonasp]

Om ni undrar var ekvationerna kommer från, så kan man titta här (ännu en artikel av Rroozen):
https://techtalk.parts-express.com/file ... id=1457627

Gillar man partiella differentialekvationer så kan man hitta härledningen här:
https://www.mech.kth.se/~luca/Smak/rec5.pdf

[I-or]

Tack I-or, då kommer en följdfråga: beror detta på sambandet

Sh = ( v / ( 2*pi*a^2 ) ) ^ (1/2)

eller

delta = (2v / omega ) ^(1/2) = ( v / (pi*f) ) ^ (1/2)

dvs för samma shear wave number eller boundary layer thickness så måste vi sänka hastigheten för att kompensera för den sänkta frekvensen? (Notera att v ovan inte är hastighet utan kinematisk viskositet)

Alla turbulensproblem har förstås en likartad bakgrund, men det är sällan som gränsskiktsturbulensen är avgörande för portens gränshastighet. Det är istället virvelavlösning i utloppen som leder till de största problemen och här blir turbulensen mer uttalad när förloppet är långsammare, d.v.s. mer lågfrekvent. Som skrivet var ökar turbulensen när strömningen närmar sig statiska förhållanden och inte lika ofta växlar riktning. Detta är skälet till att Reynolds tal vid typiska avstämningsfrekvenser kan vara minst en tiopotens högre än vid statisk strömning utan omslag till turbulenta förhållanden. Att tillåten gränshastighet, huvudsakligen alltså begränsad av virvelavlösning i utloppen, sjunker ungefär motsvarande kvadratroten ur frekvensen är inte ett teoretiskt påvisat faktum utan snarare vad man observerar vid mätningar.

Roozen har som bekant producerat framstående forskningsresultat inom området och visar tydligt i den länkade rapporten hur det uppstår en puff av bredbandiga störningar precis efter nollgenomgångarna för ljudtrycket vid avstämningsfrekvensen. Dessutom visar han att suboptimala portexpansioner ofta är sämre än en rak port med små avslutningsradier. Även hans bästa port är dock en bit ifrån optimal form.

En annan intressant sak är att den i rapporten testade nästan raka porten ger ett betydligt högre Q-värde för pipresonansen än för Infinity Primus 140 och IKEA-basmodulen ovan. Raka portar är sedan länge mycket ovanliga och liknande Q-värden, dessutom redan vid mycket låga strömningshastigheter, har jag bara observerat för en multiroom-högtalare som jag konstruerade med en av formgivningsskäl långt ifrån optimal portlösning (som ändå presterar långt bättre än konkurrerande standardlösningar av sluten typ och slavbastyp - bra tryck ned till 37 Hz trots en kavitetsvolym om futtiga 3,5 liter ).

Det är bara en detalj i Roozens rapport som jag definitivt har invändningar mot: tabell 2 med kritiska hastigheter är inkorrekt.

Ytterligare ett område som Roozen berör men inte kommenterar explicit är att energiförlusterna från roterande luft får mycket påtagliga effekter för ett resonant system som en basreflexkonstruktion (vilket du även noterade för dina mätningar vid varierande pådrag ovan). Detta är skälet till att man noterar portkompression om ett par dB utan annat än en måttlig ökning av distorsionen, vilken dessutom nästan fullständigt emanerar från elementet och inte från luftmassan i porten. Jämförelsevis följs kompression av den digniteten för t.ex. ett högtalarelement naturligtvis av mycket omfattande distorsion (undantaget termiska effekter som förstås har relativt långa tidskonstanter).

Kul med lite analytiska lösningar av Navier-Stokes ekvationer för övrigt, något som ingick i kursen Strömningsmekanik 2 på 1980-talet och som säkerligen fortfarande får teknologerna att klia sig en hel del i huvudet.

[Ted_B]

Glasklart inlägg från ior,tack [emoji2]

[I-or]

Det kan också vara intressant att känna till att strömningshastigheten vid Roozens mätningar gällande Figure 8 för de raka portarna är ca 10, 18 och 33 m/s (RMS). Diametern för de raka portarna är endast 2,1 cm.

Om man jämför de A-vägda ljudeffektnivåerna för bruset vid 18 m/s relativt IKEA-basmodulen vid 20 m/s i den tvärsnittskonstanta sektionen så finner man snarlika totala brusnivåer (Lw = 46 dBA för IKEA-basmodulen).

Dock måste man även ta hänsyn till att IKEA-basmodulen har ca 15 gånger större area, varför man behöver inte mindre än 15 små cirkulära portar för att motsvara de två slitsportarna och man måste även hålla i minnet att IKEA-basmodulen har en lägre och därför mer brusbenägen avstämningsfrekvens. Dessutom uppvisar IKEA-basmodulen en betydligt jämnare spektral fördelning för bruset, vilket minskar dess hörbarhet. Ett mer tonalt brus med kraftig dominans från pipresonansfrekvensen är lättare att detektera.

IKEA-basmodulen är som skrivet var försedd med ganska taffligt utformade portar, vilka simuleringsmässigt uppträder något svagt men ändå presterar ganska väl via ett lågt Reynolds tal beroende på den ringa höjden. Den tokoptimerade versionen av slitsport är som sig bör långt bättre eftersom den både har ett lågt Reynolds tal och en optimal form.

För övrigt bör man även jämföra Roozens resultat med Bezzolas. I Bezzolas undersökning visar sig den raka porten vara betydligt sämre än de olika utloppsrundade versionerna både mätmässigt och lyssningsmässigt. Den bästa porten klarar här över 4 gånger (!) högre gränshastighet jämfört med den flänsade raka porten (Figure 9). Detta beror antagligen på en bättre form för rundningarna men kanske framförallt på att Bezzolas portar har en tvärsnittskonstant diameter uppåt mer typiska 6 cm, vilket tycks ge den raka porten större problem.

De mycket varierande resultaten (vilka f.ö. är vanligt förekommande även i andra undersökningar) visar med all önskvärd tydlighet hur komplicerat detta område är.

[jonasp]

Detta blir mer eller mindre en segway till ett relaterat ämne: hur starka är pipresonanserna, och hur kan man dämpa dem? I den senast länkade artikeln av Roozen finner vi följande:

figure10.png (45.24 KiB) Visad 834 gånger

Nästföljande figur visar en närmast dramatisk reduktion pipresonansrelaterade ljud:

figure11.png (80.23 KiB) Visad 834 gånger

Nästan alla basreflexhögtalare med närfältsmätningar på t ex audiosciencereview har mycket utpräglade pipresonanser. I vissa fall verkar de påverka frekvensgången hos högtalaren vilket medför att man kan tro att de är hörbara. I normala fall är detta möjligen överkurs men för stora system med av nöden tvungen långa portar kan det kanske vara nödvändigt?

[jonasp]

Här är två portlösningar från studiomonitorer (Neumann samt Genelec) där man försökt reducerade pipresonansen:

genelec 8351 port.jpg (259.18 KiB) Visad 783 gånger

neumann kh120 port.jpg (123.36 KiB) Visad 783 gånger

[momotom]

Lite 2-takts expansionskammare över det hela.

[I-or]

De däringa triangulära portarna som är populära i bl.a. monitorsammanhang är en strömningsmässig katastrof. Rundar man av hörnen så blir egenskaperna dock något mindre svaga.

När det gäller de linjära problem som kraftiga pipresonanser kan leda till (d.v.s. för fullspektrumkonstruktioner) så är det betydligt bättre att följa dessa rekommendationer än att göra mindre strömningsvänliga trattformer och förlustskapande absorbentarrangemang som i bilderna ovan:

En frekvensgång för portbidraget som uppvisar ungefär samma nivå vid den första pipresonansen som vid avstämningsfrekvensen är inte ovanlig om förutsättningarna är olyckliga. Botemedlen är a) en genomtänkt position för den inre mynningen, b) en hög grad av absorption i kaviteten och c) ett lagom elastiskt membran enligt ovan (eller ett dämpat hål) mitt i porten.

[paa]

Vad är det som gör triangulära portar så dåliga?

[I-or]

Mer eller mindre skarpa hörn med trånga sektioner blandas med mer öppna ytor. Förutsättningarna varierar kraftigt över tvärsnittet, vilket leder till varierande strömningshastigheter med rotation av flödet som följd.

[I-or]

Mätresultat för ovan nämnda multiroomhögtalare:

MR1.jpg (111.46 KiB) Visad 509 gånger

Sinussignal vid 40 Hz vid för högtalartypen mycket hög nivå (högtalaren är av aktiv typ). Strömningshastigheten är ca 11 m/s (RMS), vilket leder till en hög generell brusnivå för denna långt ifrån idealt utformade yttre portmynning. Det ljudande resultatet domineras dock av första och andra pipresonansen runt 400 respektive 800 Hz (den skarpögde noterar även svagare resonanser av ordning 3-6 som sällan är märkbara). Eftersom DSP:n limiterar signalen en aning vid hög nivå så kan man inte bestämma den akustiska delen av kompressionen exakt, men det bör handla om ca 3 dB.

MR2.jpg (107.92 KiB) Visad 509 gånger

Bakgrundsnivå.

MR3.jpg (98.68 KiB) Visad 509 gånger

Frekvensgång (låg nivå) i portens extrema närfält. Pipresonansen vid 420 Hz ser oproblematisk ut, men detta beror på att porten är försedd med ett dämpat hål som sänker nivån för den första pipresonansen med ca 10 dB. Dessutom är högtalaren kraftigt ekvaliserad ca 40-80 Hz. Utan hål och ekvalisering är nivån vid den första pipresonansen bara några dB lägre än vid avstämningsfrekvensen.

[sammel]

Kul att se mätning av ett av I-ors ingengeringsobjekt