Spänning, ström och effekt för högtalare med musiksignaler

[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 5383 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 4977 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 4977 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 4977 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 4977 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 4977 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 4977 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 4977 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 4911 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 4911 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 4911 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 4911 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 4835 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 4592 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 4592 gånger

Wishing Well U-I 5.png (20.8 KiB) Visad 4592 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 4592 gånger

You Shook Me All Night Long U-I 5.png (18.54 KiB) Visad 4592 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 4592 gånger

Give Life Back To Music U-I 5.png (15.33 KiB) Visad 4592 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 4592 gånger

Psycho U-I 5.png (20.94 KiB) Visad 4592 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 3692 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 3607 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 2918 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.