SWAP - Solhaga’s Wall Audio (3D) Printed

[solhaga]

Jag behöver något att spela på i Attefallsbyggnaden.

Jag kommer att använda dessa element: Woofer och tweeter från detta projekt (tre första sidorna):


Denna förstärkarmodul Dayton Audio KABD-4100:


Inspiration till element och förstärkeri kommer från denna recension vars högtalare jag byggde i projektet nämnt ovan.

Det blir 30x30cm 3D-utskriven högtalare som skall monteras på vägg, kanske 5cm djup; som en tårta kastad på väggen.


Jag spånade lite med chatGPT för att komma på ett bra akronym:

I want an acronym for "Solhaga's 3D printed Wall speakers"

Till slut så föreslog jag SWAP:

What about SWAP?

SWAP actually works surprisingly well as an acronym here — it’s short, memorable, and has a clever double meaning.

You could define it as:
SWAP = Solhaga’s Wall Audio Project
or
SWAP = Solhaga’s Wall Audio Printed

It fits your description (“3D printed wall speakers”) neatly and is fully pronounceable.
The word “swap” itself also carries nice connotations — something modular, flexible, or interchangeable — which could align well if your speakers are customizable or mountable in different ways.

Det kommer mera:

[Almen]

[solhaga]

Tack Almen, tyvärr så var programmeringskortet restnoterat, men jag kan ju göra högtalarlådan och förstärkarlådan under tiden.

Ett första utkast:


Tanken är att morfa lådan i första posten, med ett antal portar längs kanten; en minivariant på Cornu-högtalare.
Diskantelementets kavitet/låda skall bli än mer isolerad, med bara distanser till basdelen.
Hela lådan bli lite djupare än tidigare nämnt; 70mm istället 50mm.

[solhaga]

I LCMs originallåda i första posten är för baselementet Tang Band W3-1876S:


och för mellan/diskantelementet Tectonic TEBM35C10-4:


Med maximal drivning för respektive element ger Basta!:

Röd linje är konutslaget för baselementet och strecka dito för diskantelementet.
Med lite PEQ räcker detta för ändamålet.

Ett brant HP-filter vid 40Hz erfordras således för att inte basen skall bottna samt ett vid 210Hz för diskanten inte skall bottna.

[solhaga]

Nettovolymen på min tilltänkta låda är knappt 4l (3,96l).
Med volymerna från LCM:en:
Bas 1,85l,
Basrör 0,34l samt
Diskant 0,4l
räcker detta gott med interna väggar och stag.

För jämförelse är bruttovolymen på LCM:en 4,5l och SWAPs är 5,0l, så jag borde kunna öka basvolymen med en halv liter.
Med en basvolym på 2,35l samt en sänkt portfrekvens med 5Hz till 40Hz säger Basta!:

Röda långstreckiga kurvan är basens konutslag.

Sedan var ju det här med att ha fler portar...

[johaneriksson]

En optimal slitsport med mynningen neråt vore väl passande?

[solhaga]

Ja, efter lite bastande (och winisdande) har nog kommit fram till att en slitsport är rätt väg att utforska vidare.
Vad skulle överväga till en nedåtriktad ports fördel jämfört med en framåtriktad dito?
Ett problem med den ursprungliga LCM:en ovan, är att vid en effekt som motsvarar fullt konslag (30W och 5mm), fås en väl hög porthastighet:


Om jag fortfarande vill ha 40Hz och få ned porthastigheten till åtminstone 15m/s, så måste portarean öka samt dess längd.
Av det följer att jag inte kan öka elementets bakkammare; den extra volymen kommer att gå åt till den större portvolymen:


WinISD håller inte riktigt med, LCM:en får 30m/s enligt den förra och SWAP för 20m/s enligt den senare:

Vad värre är, att första portresonansen enligt WinSID går från 330Hz (LCM) till 174Hz för SWAP.

[johaneriksson]

Går lika bra med en framåtriktad port när du 3d printar lådan. Jag var mentalt kvar i mer traditionella tillverkningsmetoder.

[solhaga]

OK.
Ja, det är lite av problemet; att kunna tänka utanför lådan med 3D-utskrifter:

[Neuhausen]

Jag har jämfört Bastas resultat med några andra program under veckan och kom fram till att mer testning behövs. Det har nyligen beskrivits hur det skall göras här på forumet. Få program är överens, men Basta har stuckit ut mot de andra. Så om det är vi här på faktiskt eller resten av världen som är ute och cyklar vet jag inte.

Men om vi bortser från det så undrar jag om du inte begär för mycket av det lilla elementet när du stämmer av så lågt? För lite slagvolym är svårt att fixa med DSP. En lite högre avstämd låda får mer kapacitet där elementet orkar med och DSPn kan fixa frekvensgången.

Med DSP så går det också att ta ett för stort element för lådan och tvinga det att fungera i en sluten låda, på samma sätt som är populärt med subbasar. Portarna blir som du märkt väldigt långa i så små lådor.

[solhaga]

Så då skulle WinISD ge sannare resultat?

Jo, jag begär mycket av det lilla elementet. Men det är de jag har hemma och jag har använt dom i ett par LCM-högtalare. LCM-högtalarna är stämda till 45Hz.

Ja, det är en utväg med ett annat element och sluten låda; KABD-4100 ger ju 100W per element och har DSP.

Massan måste ju finnas, så små areor ger långa portar. Men med 3D-design är jag ju inte bunden till hur svårt det kan bli att bygga porten.
LCM:en har ju en ganska enkel porttopologi och den är ändå 50cm lång. Så en som är närmare metern lång enligt den senaste simuleringen ovan borde kunna gå att få till.
Om man nu kan lita på Basta! vill säga.

[Neuhausen]

Jag tror att Basta tar hänsyn till mer. Men jag börjar undra ibland när det skiljer mycket.

[solhaga]

Ja, WinISD gav konstiga SPL-grafer där toppar i kurvan blev invikta.

Jag har testet SpeakerBoxLite, efter lite inledande be- och angreppsförvirringar har jag nog listat ut hur det fungerar.


Graferna finns under Graphs.


Både Cone Displacement och Vent Air Velocity verkar vara okej ned till 37Hz; max 5mm och under 15m/s.
Branta DSP-filter blir det...

Det är lätt att se hur olika långa portar (med respektive ökande portdiametrar förstås) skulle te sig, här 500mm (rött) till 800mm (lila):

[solhaga]

Efter en veckas kämpande med SpeakerBoxLite och ChatGPT samt några provutskrivningar av lådtopologier:

har jag kommit fram till följande:

För att lufthastigheten i porten skall hamna under 10m/s behöver kanalens diameter vara minst 34mm (ungefär 9,1cm²). Kanalen blir då 858mm inklusive öppningarna. Radien på öppningarna är 15mm.
Motsvarande rektangulär kanal behöver vara ungefär 90x10mm och 850mm lång för att komma under 10m/s.

För en rund geometri låter jag kanalen gå runt något varv i botten
För en rektangular geometri låter jag kanalen gå runt något varv längs sargen. Lite svårt då lådan kanske bara är 65mm hög invändigt.
Ett alternativ är att låta röret övergå i en slits vid portöppningen.

Lådan måste skrivas ut i två delar på grund av problem med stödstrukturer annars:
Lock, innefattar framsidan med sarger, skrivs ut med framsidan ner:


Botten, innefattar baksida och kanal/port, skrivs ut med baksidan ner:


Eftersom kanalen/porten är i botten, så måste det finnas urtag för dess port i locket; ett tredje element.

Sedan var ju det här med att låta porten mynna i sargen vänd nedåt eller i locket vänt utåt.

[solhaga]

Det blev så här i Fusion (länk till designen).
Baksida:


Framsida:

En nästan rund port som går hela varvet runt; ungefär 840mm lång.
Vb för TB-elementet är cirka 2l.
BMR:en har en egen låda om 0,4l, nästan helt fri från övrig låda.

Och det blev så här i PrusaSlicer:

Botten för sig.


Och toppen för sig.

Allt kommer att ta 38h att skriva ut.

Delar av konstruktionen utskriven:



Här saknas boxen för BMR:en.

Här syns både början och slutet av porten:

Det som syns till längst till höger och vänster är alltså resultatet av en uppskuren/delad utskrift.

Nu väntar jag bara på min Prusa Core One L som klarar 300x300mm:

[Maarten]

Snyggt! Här finns stora möjligheter!

[solhaga]

Ja, och det går så snabbt att testa om de enskilda lösningarna fungerar med min "lilla" Core One.
Jag vet nu exempelvis att 2mm inserts för BMR-infästningen inte fungerar; de är helt enkelt för små.
Det får bli 1,8mm hål i plasten istället för 2mm-skruvarnas gängor att bita i.

[solhaga]

Det tarvas lite större skrivare för SWAP; Prusa Core One L:


12 timmar in på utskriften, bara ett dygn kvar:


Sedan tillkommer bottenstycket...

[solhaga]

Med bakstycket klart är det snart dags för ihopsättning:






Programmeringskortet har ännu inte kommit, så jag använder två av huvudanläggningens kanaler för provspelning.
Jag tänker mig att mäta fritt i rummet samt på en vägg. Väggen är en plankvägg klädd invändigt med treetexskivor.
(I Attefallsbyggnaden är det dock OSB-skivor med tunn plywood på insidan.)

Något jag bör tänka på vid de sistnämnda mätningarna.?

[Maarten]

Jag tänker mig att mäta fritt i rummet samt på en vägg. Väggen är en plankvägg klädd invändigt med treetexskivor.
(I Attefallsbyggnaden är det dock OSB-skivor med tunn plywood på insidan.)

Något jag bör tänka på vid de sistnämnda mätningarna.?

Jag tycker att lämpligen mäter du halv Spinorama när den placerad på väg (eller bara tom -60 grader HOR och VER i 10 graders steg), samt nästan hel Spinoroma (+-90 grader i 10 graders steg HOR och VER kompletterat med HOR -130 och HOR -180). Då får du bra koll på allt väsentligt och kan i efterhand dra många slutsatser och justera vid behov. Det tar heller inte speciellt mycket mer tid än att rigga en mätning.

[I-or]

För cirkulära bafflar är det av stor vikt att elementen flyttas ut en rejäl bit från centrum. Annars blir diffraktionseffekterna mycket besvärliga.

Ett ytterligare problem som gäller alla normalstora väggmonterade högtalare är den svårkontrollerade, bredbandiga, SBIR-dal som uppstår i mellanregistret.

[solhaga]

Efter det att kompletterande mätningar har genomförts, sammanställts och analyserats, och i den utsträckning som detta sammantaget bedöms motivera fortsatta överväganden utifrån erhållet mätunderlag och projektets övergripande avgränsning, avses eventuella, i detta skede ej närmare specificerade, justeringar att i förekommande fall övervägas i syfte att hantera möjliga kantdiffraktionsrelaterade fenomen respektive potentiell påverkan av SBIR-karaktär, varvid den förstnämnda åtgärdskategorin, under förutsättning att sådan bedöms relevant, kan innefatta en modifierad vertikal positionering av baselementet i riktning mot portområdet, med korresponderande och proportionerlig anpassning av diskantelementens inbördes placering i syfte att bibehålla ett minimalt och akustiskt motiverat avstånd, medan den sistnämnda åtgärdskategorin, i den mån den över huvud taget anses tillämplig, kan komma att adresseras genom lämpligt utformade geometriska avrundningslösningar och/eller kompletterande dämpande material på angränsande väggyta.

[Tell]

Ett tips, utifrån vad som framgår i tillgängliga beskrivningar och erfarenhetsrapporter anses, gyroid-infill ofta vara ett mer lämpligt val vid 3D-printning av komponenter för akustiska tillämpningar, såsom högtalarkonstruktioner, där oönskade resonanser riskerar att påverka ljudåtergivningen negativt. Detta beror främst på gyroid-strukturens kontinuerliga och tredimensionellt sammanhängande geometri, som saknar de abrupta brytpunkter och linjära element som kännetecknar många mer konventionella infill-mönster. Till skillnad från exempelvis grid eller cubic, vilka genom sin regelbundenhet kan fungera som mekaniska vågledare för vibrationer inom vissa frekvensområden, tenderar gyroid-infill att sprida vibrerande energi mer jämnt i materialet. Därigenom försvåras uppkomsten av tydliga egenresonanser, vilket i praktiken kan bidra till en mer mekaniskt dämpad och akustiskt neutral konstruktion, där infill-strukturen i sig i mindre grad ger upphov till hörbara störningar.

[I-or]

Den inre strukturen har betydelse endast för mycket höga frekvenser, där strukturavstrålat ljud inte är något problem.

[solhaga]

Ett gyroidbaserat fyllnadsmönster har i mina tidigare utförda 3D-utskrivna högtalarkonstruktioner tillämpats, huvudsakligen i syfte att möjliggöra införande av gips som utfyllnadsmaterial i mellanliggande strukturella volymer, medan denna lösning i det aktuella fallet inte har använts, och för att på ett senare stadium, i den mån det bedöms relevant, kunna identifiera och utvärdera förekomsten av eventuella vibrationsrelaterade fenomen har en kontaktmikrofon införskaffats som ett komplement till den fortsatta analysen.

[Tell]

Ur ett rent tillverkningsperspektiv betraktas traditionell grid-infill du använt ofta som mindre optimal, främst på grund av dess diskreta och korsande linjestruktur. Mönstret innebär att skrivhuvudet upprepade gånger passerar samma skärningspunkter i identiska lager, vilket leder till ojämn materialackumulering, lokala överextruderingar och därmed ökad risk för vibrationer, ljud och ytdefekter under pågående utskrift. Dessa återkommande stopp och riktningsförändringar kan dessutom belasta både mekanik och drivsystem, särskilt vid högre hastigheter. Sammantaget gör detta grid-infill mer känsligt för instabilitet och mindre förlåtande än mer kontinuerliga infill-mönster, sett enbart till själva printprocessens tillförlitlighet och jämnhet.

[solhaga]

Applicerande av insatsmuffar för sammanfogande av fram- och baksida samt för det samma packningar i 0,5mm TPU (shore 95A):


Instatsmuffar för woofern:


För diskantelementet gjorde jag den bedömningen att skruvarna skulle vara för små för insatsmuffar; jag skruvar direkt i plasten.

Packningarna för elementen blir förmodligen i TPU ävensom.

[solhaga]

Ur ett rent tillverkningsperspektiv betraktas traditionell grid-infill du använt ofta som mindre optimal, främst på grund av dess diskreta och korsande linjestruktur. Mönstret innebär att skrivhuvudet upprepade gånger passerar samma skärningspunkter i identiska lager, vilket leder till ojämn materialackumulering, lokala överextruderingar och därmed ökad risk för vibrationer, ljud och ytdefekter under pågående utskrift. Dessa återkommande stopp och riktningsförändringar kan dessutom belasta både mekanik och drivsystem, särskilt vid högre hastigheter. Sammantaget gör detta grid-infill mer känsligt för instabilitet och mindre förlåtande än mer kontinuerliga infill-mönster, sett enbart till själva printprocessens tillförlitlighet och jämnhet.

Jag instämmer i den övergripande bedömningen av grid-baserad fyllnad ur ett tillverkningsperspektiv och vill samtidigt tillägga att gyroidfyllnad i detta avseende generellt framstår som ett mer gynnsamt alternativ, då dess kontinuerliga och icke-korsande geometri reducerar återkommande skärningspunkter mellan lager, vilket typiskt medför jämnare materialdeposition, minskad risk för lokal överextrudering samt lägre benägenhet för vibrations- och ljudalstring under utskrift; därutöver erbjuder gyroidstrukturen även strukturella fördelar genom mer isotrop lastfördelning, kontinuerliga lastvägar och god styvhet-till-vikt-relation, samtidigt som dess öppna och sammanhängande volymstruktur i praktiken möjliggör efterföljande fyllning med gips eller andra likvärdiga material, vilket ytterligare kan bidra till ökad massa, dämpning och strukturell stabilitet beroende på tillämpning.

[solhaga]

Nej, inslagsmuffar och tätningslist i TPU fungerade inte.
Det får bli en allt i ett-utskrift.


Det tarvar dock utfyllnad även i kaviteterna; ett glest gyroidmönster för att inte hindra luftflödet men ändå tillräckligt oglest för att kunna möjliggöra överbryggningar när baffeln skrivs ut.
Röret har fortfarande ingen utfyllnad, men jag får nog trixa lite med skivarprogrammet för att få överbryggningar acceptabla i överkant där.

Efter mätningar kan jag konstatera att baserat på distorsionnivåer en lämplig delningfrekvens är 600Hz.

Som synes har jag flyttat baselementet 30mm nedåt för att smeta ut baffelstegseffekterna ytterligare.
λ/4 är då 14cm, så avståndet mellan elementet är inom denna gräns.

Eftersom elementens akustiska centra inte är i plan, behöver BMR-elementet en fördröjning; jag får mäta upp impulsresponsen för elementen för att fastställa skillnaden.
Detta är ju extra känsligt med tanke på vald delningsfrekvens.

Vad SBIR anbelangar så hänger detta också på var BMR:ens akustiska centrum finns.
Om det är i samma plan som baffeln inträffar första noden, en dal, vid cirka 2300Hz och kommer att vara en till tre dB djup.

För att förhindra läckage vid kabelgenomdragningarna, kommer det att bli rännor för dessa på högtalarens baksida.
Kablaget blir då lättare att få tätt med butylgummi i rännorna och sedan tejp över det.
Baserat på tester av Speakon chassiedon så läcker dessa som ett såll vid stiften och blir svårt att även få tätt i övrigt.

[solhaga]

Nej, dela vid 600Hz är helt uteslutet.
Portens halvvågsresonans ställer till det varandes 820mm lång.

I praktiken så ser det ut så här:


Avstämningen hamnade vid 35Hz och halvvågsresonansen på 217Hz.

Så det blir lite omdesign:
En 550mm lång port med arean 581 mm² ger samma fb.
En kortare port med mindre area ger samtidigt en högre luftpelarhastighet; från 10m/s till 15m/s.
Jag borde kunna dela runt 300Hz för att undvika portens halvvågsresonans som då hamnar strax över 300Hz.

Vid 300Hz ligger BMR:ens uppmätta THD på -40dB.