SMAPPP - membran

[solhaga]

Sten fick Paul att väcka den björn som sov:

(Bespara oss kommentarer om Pauls agenda med mera.)

Någon som kan komma på ett bra akronym för "Solhaga's Planar Magnetic Push Pull Line Source"?

[solhaga]

Kanske SMAPPP, Solhaga's MAgnetic Push Pull Planar.

Först ut är lite FEMM-analyser som vanligt.

[solhaga]

En första råsimulering.

En toppvy, magneterna är 40x5x5 mm:

Membranet befinner sig mellan de två prickarna till vänster respektive höger.

Simulerad magnetiska flödestäthet:


Plottat tangentiellt flöde :

Min första tanke är att använda tre av de fyra millimeter breda flödena till mid (vid 10, 20 och 30 mm) och en till diskant (vid 40 mm).

Magneterna måste dock monteras på något, här en tre millimeter tjock stålplatta:





En något större magnetisk flödestäthet men samtidigt mer olinjär (bulligare).

Stålplattan är dock perforerad framifrån sett, så verkligheten ligger någonstans i mellan dessa två simuleringar.

Visualisering av stålplatta:

De verkliga stålplattorna skär jag ut med min plasma-cnc.
Hålen har då olika rektangulära former och är ojämnt fördelade mellan magneterna för att undvika samma kavitetsresonanser.

[solhaga]

Grovt räknat så skulle elementarean för mid motsvara ett tolvtumselement.
För SPL 100 dB vid 1m och 500 Hz fås då erforderligt Xmax om 0,031mm.

Så har ser det ut mitt i gapet +/- 0.5 mm (det lilla röda vertikala strecket):

Jag har här ändrat plåttjockleken till ovan sagda tre millimeter.

Variationen över det gapet blir då:

[sammel]

Spännande

[solhaga]

Spännande

Javisst är det!

Här en idé om hur man skjuta främre och bakre polplattor (blå) på plats uppifrån utan risk.
Membranet är gult.




Varje sektion är då 280 millimeter hög.

[jonasz]

Är det en Bohlender-Graebener RD-75 variant du bygger?

[RogerGustavsson]

Bohlender-Graebener RD-75 är lite annorlunda. Har väl tre rader med räta feta ferritmagneter?

Ett problem med magneter på båda sidor är den kavitetsresonans som uppstår. Finns det någon som lyckats bli av med den? Bohlender-Graebener och alla dess efterföljare verkar ha en dos av detta. Diskanterna i äldre Magnepan Tympani har det också. En del har rekommenderat eq för att minska problemet (BG och Carver).

[solhaga]

Är det en Bohlender-Graebener RD-75 variant du bygger?

RD-88

[solhaga]

Bohlender-Graebener RD-75 är lite annorlunda. Har väl tre rader med räta feta ferritmagneter?

Ja, de är ferriter (Ceramic-8). I SMAPP kommer det att vara minst neodymium N35.

Ett problem med magneter på båda sidor är den kavitetsresonans som uppstår. Finns det någon som lyckats bli av med den? Bohlender-Graebener och alla dess efterföljare verkar ha en dos av detta. Diskanterna i äldre Magnepan Tympani har det också. En del har rekommenderat eq för att minska problemet (BG och Carver).

De verkliga stålplattorna skär jag ut med min plasma-cnc.
Hålen har då olika rektangulära former och är ojämnt fördelade mellan magneterna för att undvika samma kavitetsresonanser.

I vidareutvecklingen av pelaren:

så kommer det att vara plåtar som håller polstyckena. Mellandelarna i blått är i plast.


Min första tanke var att göra en tvåvägshögtalare; mid- och diskantelement där basarna tar vid under 500 Hz.
Men med en såpass hög delning så är det kanske bättre med ett rent bredbandselement.
Det skulle underlätta upphängningen avsevärt och säkerligen låta bättre med avseende på exempelvis fasfel.

[I-or]

1. Eftersom det endast är en kavitet framför/bakom magneterna så vinner man för Helmholtzresonansen i praktiken ingenting på att göra olika stora öppningar längs höjden på elementet, då det är den totala ytan som är avgörande.

2. Om jag har förstått det hela rätt så ska en del av membranet endast användas för diskanten. Man bör då komma ihåg att membranet exciteras även där ledarbanorna inte är aktiva.

3. Böjveka membran drivna över ca hälften av ytan och stelt inspända längs sidorna uppträder långt ifrån som en ideal kolv, vilket kan ställa till det en hel del både vad gäller frekvensgång, distorsion och hållfasthet.

4. För en linjekälla kan man inte räkna membranförskjutning för en given ljudtrycksnivå på samma sätt som för en punktkälla.

[solhaga]

1. Eftersom det endast är en kavitet framför/bakom magneterna så vinner man för Helmholtzresonansen i praktiken ingenting på att göra olika stora öppningar längs höjden på elementet, då det är den totala ytan som är avgörande.

Ja, det är nog svårt att komma ifrån detta. Utan push-pull och med membranet en millimeter närmare erhålles detta:


vilket duger alldeles utmärkt både vad det gäller flödestäheten och dess linjaritet.

Men kanske inte tillräckligt linjärt i membranets rörelseriktning, här med 0,5 mm Xmax:

2. Om jag har förstått det hela rätt så ska en del av membranet endast användas för diskanten. Man bör då komma ihåg att membranet exciteras även där ledarbanorna inte är aktiva..

Jag tvekar som sagt på detta:

Min första tanke var att göra en tvåvägshögtalare; mid- och diskantelement där basarna tar vid under 500 Hz.
Men med en såpass hög delning så är det kanske bättre med ett rent bredbandselement.
Det skulle underlätta upphängningen avsevärt och säkerligen låta bättre med avseende på exempelvis fasfel.

3. Böjveka membran drivna över ca hälften av ytan och stelt inspända längs sidorna uppträder långt ifrån som en ideal kolv, vilket kan ställa till det en hel del både vad gäller frekvensgång, distorsion och hållfasthet.

Absolut, i mitt första utkast har jag inte tagit hänsyn till detta. Här ett andra utkast, fortfarande push-pull dock:

4. För en linjekälla kan man inte räkna membranförskjutning för en given ljudtrycksnivå på samma sätt som för en punktkälla.

Nej, naturligtvis inte. Men det ger ändå en fingervisning; 0,031mm är långt ifrån 1 mm.

Om man nu skulle montera magneterna horisontellt?
Då skulle en eventuell lodrätt uppstyvningsveckning (det vill säga i normalen mot aluminiumstripparna) för membranet för att få en jämnare kraftfördelning också kunna utgöra veckning för en del av upphängningen.

[I-or]

Du bör behålla push-pull-arrangemanget för att minimera distorsionen. Horisontellt monterade magneter förbättrar läget vad gäller resonanser i membranet, men med ett böjvekt membran blir man inte av med problemet helt hur man än gör. Det finns tydliga strukturdynamiska skäl till varför planarelement sällan uppför sig särskilt väl.

[solhaga]

Du bör behålla push-pull-arrangemanget för att minimera distorsionen. Horisontellt monterade magneter förbättrar läget vad gäller resonanser i membranet, men med ett böjvekt membran blir man inte av med problemet helt hur man än gör. Det finns tydliga strukturdynamiska skäl till varför planarelement sällan uppför sig särskilt väl.

Jag tänkte mig en sådan här upphängning, mylarmembranet är bakat till denna form på samma sätt jag har gjort med AMT:erna:

[I-or]

En upphängning är förstås betydligt bättre än ingen alls, men förhindrar ej resonanser. Plastfilmen (PE) är långt ifrån tillräckligt styv för att de delar som ligger mellan aluminiumremsorna ska röra sig som avsett. Detta ett generellt problem för planarelement som sällan får den uppmärksamhet som det förtjänar.

[solhaga]

En upphängning är förstås betydligt bättre än ingen alls, men förhindrar ej resonanser. Plastfilmen (PE) är långt ifrån tillräckligt styv för att de delar som ligger mellan aluminiumremsorna ska röra sig som avsett. Detta ett generellt problem för planarelement som sällan får den uppmärksamhet som det förtjänar.

Jo, men det är här jag menar att med horisontella magneter och aluminiumremsor och en mindre veckning av membranet i vertikalled skulle styvheten hos membranet öka.

[solhaga]

Efter en liten utflykt på diyaudio har jag kommit fram till att en konventionell orientering av magneter och aluminiumremsor är att fördra.
Ett slätt membran är också lättare att tillverka med någonlunda repeterbarhet.
För att få ett styvare membran, så kan icke strömförande aluminiummönster hjälpa till. Bara nu inte virvelströmmarna dämpar för mycket samt att membranet inte blir för tungt.

Här är en lösning med längre avstånd från upphängning till aktivt membran, skumkudde som dämpar resonanser samt anspänningsanordning:

[solhaga]

Några iterationer senare:

Det borde ge tillräcklig komplians och dämpning samt ge en fastsättning utan att behöva anspänningsmekanismer.
Resterande resonanser är förhoppningvis tillräckligt små för att kunna tas om hand av ekvalisering.

[solhaga]

Vad det gäller artifakter orsakade av de icke drivande delarna av membranet mellan aluminiumremsorna, så tänkte jag mig en armering gjord utav aluminiumöar:


Öar för att minimera befarade effekter av virvelströmmar.

Membranet blir svårare att göra och blir naturligtvis tyngre.
Men öarna behöver kanske inte vara så många och stora.

[I-or]

När man tittar närmare på ett liknande arrangemang med t.ex. FEM-analys så framgår det tydligt att det ändå uppstår resonanser i de icke exciterade / passiva områdena. Detta är ofrånkomligt med ett böjvekt membran. De passiva områdena är inte tillräckligt styva för att stelt kunna följa med de aktiva områdena för annat än låga frekvenser.

Beroende på många olika faktorer kan inverkan på frekvensgången bli stor eller liten, men polymerens inneboende olinjäriteter (ett olinjärt spännings-töjnings-förhållande) visar sig alltid i distorsionen.

Dämpningen i den senaste iterationen blir dessutom låg, då förskjutningarna blir små utanför det korrugerade området. Det är långt effektivare att på något sätt tillföra förluster i det korrugerade området eller för resten av membranet.

[solhaga]

När man tittar närmare på ett liknande arrangemang med t.ex. FEM-analys så framgår det tydligt att det ändå uppstår resonanser i de icke exciterade / passiva områdena. Detta är ofrånkomligt med ett böjvekt membran. De passiva områdena är inte tillräckligt styva för att stelt kunna följa med de aktiva områdena för annat än låga frekvenser.

Jag har tyvärr varken verktygen eller kompetensen för att utföra FEM-analys. Men jag förstår hur du menar. Öarna ovan kan lika gärna göra saken värre; att vid resonanser bli en stort antal passiva radiatorer.

Beroende på många olika faktorer kan inverkan på frekvensgången bli stor eller liten, men polymerens inneboende olinjäriteter (ett olinjärt spännings-töjnings-förhållande) visar sig alltid i distorsionen.

Ja, det är svårt att undkomma det.

För att styva upp böjvekheten skulle kanske en 0,1 mm 3D-utskriven armering om 40 x 160 mm. Den väger 0,64 gram:


Eller långsmala aluminiumpatchar limmade på baksidan av membranet som då överbryggar de icke drivna delarna.
Eller borst från en finhårig målarpensel applicerade med samma metod?
Eller en tunn glasfibermatta, åtta gram per kvadratmeter?

Dämpningen i den senaste iterationen blir dessutom låg, då förskjutningarna blir små utanför det korrugerade området.

Är det då bättre att låta korrugering och dämpningen byta plats?

Det är långt effektivare att på något sätt tillföra förluster i det korrugerade området eller för resten av membranet.

Menar du dämpning i själva korrugeringen?

[I-or]

Att öka styvheten via diverse extramaterial på ett plant membran är inte ens nära att räcka till. En bättre lösning är att försöka skapa s.k. constrained layer-dämpning, men även detta är otillräckligt.

Tyvärr är den enda praktiskt sett gångbara lösningen för att uppnå hygglig böjstyvhet att korrugera membranet (vågighet i längdriktningen). Då måste förstås avståndet mellan magneterna öka en del och dessutom är det knepigt att få till kantupphängningarna. Annars får man leva med de typiska nackdelarna för planarelement (d.v.s. uppbrytningar), vilka förstås inte är överväldigande stora - speciellt inte om man ekvaliserar.

Vad gäller dämpningen för kantkorrugeringen så kan man förstås sätta något lagom viskoelastiskt material här, t.ex. i form av någon kladdig tejp.

[Kraniet]

Det finns ju dubbelhäftande tejp som är en slag lite tjockare skum. Kanske kan vara nåt?

[solhaga]

Tyvärr är den enda praktiskt sett gångbara lösningen för att uppnå hygglig böjstyvhet att korrugera membranet (vågighet i längdriktningen).

Infästningen kan då utgöras av 3D-utskrivna delar med samma korrugering. På så sätt kan kanske korrugeringen hållas formstabil.
Dämpning, skumlister för fönster, sker intill där membranets aktiva del börjar eller varför inte hela vägen från infästningen.

Annars får man leva med de typiska nackdelarna för planarelement (d.v.s. uppbrytningar), vilka förstås inte är överväldigande stora - speciellt inte om man ekvaliserar.

Men uppbrytningar ger även högre distorsion.

[solhaga]

Det finns ju dubbelhäftande tejp som är en slag lite tjockare skum. Kanske kan vara nåt?

Absolut!

[spiii]

Innan jag tröttnade på bilar för sisådär 30-35 år sedan så fanns det en ljuddämpande färg som demonstrerades med en brons/mässingsklocka som var målad invändigt. Den var nästan död i klangen.
Det var en blåaktig halvtjock färg som ströks i flera lager beroende på hur mycket dämpning som behövdes, förmodligen var det något viskoelastiskt material, effektivt var det iallafall.

Tyvärr har jag förträngt varunamnet, men motsvarande borde finna att köpa även idag. Jag tror att den "försvann" för biländamål efter ett tag pga. att den absorberade lite vatten och det var ju inte så bra för att hindra rostens härjningar... Den marknadsfördes även på båtmässor.

Jag tänker att en sån färg skulle kunna vara bra för experiment eftersom man lätt kan anpassa dämpningsmängden.

[solhaga]

En sådan här kanske:

TIKKURILA Acoustics – ljuddämpande färg
Acoustics är en vattenbaserad, ljuddämpande färg. Den ljuddämpande effekten baseras i likhet med de övriga DryTech-produkterna på de fysiska egenskaperna med microporer.

Ganska tungt dock, 600 gram per kvadratmeter.
Undrar om det finns i mindre förpackningar och säljs till privat kund?
Och om det fäster på PE (mylar).

Annars finns det flytande silikon, oklart om det fäster på PE dock.
Jag har en burk hemma, så det är ju bara att testa.

Jag är oklar om vilket som är bäst, att applicera material på "dampening"-ytan ovan eller dämpa med skumfönsterlister.

[solhaga]

Jag tror att jag för tillfället har bottnat vad det gäller magnetsystem och membran.
Det kommer säkerligen upp fler frågeställningar längre fram i projektet.

Men hur var det nu med Helmholtzresonansfrekvensen?


Jag vill flytta Helmholtzresonansfrekvensen till över 10 kHz, en potentiell övertonsdistorsion blir ohörbar och Helmholtzresonansfrekvensen i sig själv kanske blir ett önskat tillskott i frekvenskurvan.
Desto större öppningsarea och desto mindre kavitet och öppningslängd kommer att öka Helmholtzresonansfrekvensen.


Kaviteten är i brunt och öppningen är i blått.
Kavitetsarean ovan är 211 mm2, så dess volym blir 2,2 m x 211 mm2 = 0,000464 m3 (0,464 liter)
Hänsyn har inte tagits till den volym som finns inne i själva dämpningen.

Öppningsarean är fördelad över utrymmet mellan magneterna och kan ses som en procentsats av hela arean mellan magneterna.
Totala arean är 4 x 2,2 m x 5 mm = 0,044 m2 = 440 cm2.
Med 40 % blir öppningsarean 176 cm.

Längden på öppningsarean är frontplåten tjocklek 3 mm = 0,3 cm.

Jag använder denna kalkylator och får då:

6,156 kHz är ett rimligt värde.

Vänligen korrigera mig om jag har fått något om bakfoten ovan.

[solhaga]

Så om jag minska kavitetsvolymen till hälften och bara ha en 2 mm tjock stålplåt fås:



En ökning av öppningsarean till 90 % ger:



Jag vet inte om något av ovanstående justeringar är möjliga, bara att kunna hålla magneterna på plats med en såpass tunn och perforerad stålplåt kan visa sig omöjligt.
Kanske en kombination av mindre ändringar enligt ovan kan ge önskat resultat; en Helmholtzresonansfrekvens över 10 kHz.

[solhaga]

Så jag ändrade motorn till 3 mm tjocka magneter samt minskade gapet till 4 mm:


Det ger en kavitetsarea om 145 mm2 och då en kavitetsvolym om 0,0003432 m3.
Med en mer praktisk perforeringsratio om 75% och 2 mm stålplåtar, blir Helmholtzresonansfrekvensen väl över 10 kHz.


Det minskade gapet kompenserar väl för den minskade magnetstyrkan:


Den magnetiska flödestätheten är fortfarande okay:


och fortfarande jämnt över gapet: