Het meten van luidsprekers

We krijgen weleens te horen dat de ontwikkeling van luidsprekers gestopt is. Daar zijn we het niet mee eens. Ja: er is ontzettend veel ontwikkeld in de jaren ’50 en ’60, maar de ontwikkeling is niet gestopt. Als we kijken naar de laatste tien jaar, zien we genoeg interessante zaken. Denk aan nieuwe materialen voor consussen, nieuwe magneettechnologie of interessante giettechnieken voor kasten. En dan kijken we nog niet naar de actieve modellen… Fabrikanten staan écht niet stil.

We zien de resultaten van deze ontwikkelingen ook terug in onze metingen. Luidsprekers worden écht steeds beter. We zien minder en minder vervorming. Ook in prijsklassen waar dat eerst niet mogelijk was. En dat is een zeer positieve ontwikkeling natuurlijk. Maar laten we eens kijken hoe dat meten werkt.

Dode kamer

Akoestiek is de grootste vijand tijdens het meten van luidsprekers. Immers: we willen alleen de luidspreker meten; niet de ruimte waarin ze staan. De ruimte zélf bevat namelijk ook klankeigenschappen. Denk aan bepaalde resonantiefrequenties. Deze eigenschappen beïnvloeden de meting, waardoor deze niet meer betrouwbaar is.

Om die reden zijn grote merken en onderzoekscentra zogenaamde dode kamers gaan bouwen. Dit zijn – vaak grote – ruimtes die alle energie absorberen. Er is dus helemaal géén galm meer. Daarbij isoleren ze vaak bijna 100%. Inclusief resonanties van andere bronnen. Denk aan verkeer.

U zult begrijpen dat een serieuze dode kamer een forse investering is. Het gaat vaak om bedragen met zes nullen. Er is namelijk veel ruimte nodig om écht full range te meten én die gehele ruimte moet ook veel massa bevatten én compleet vrij zijn van reflecties / galm. Een lastige en dure aanpak.

Het is mogelijk ze kleiner te maken, maar dan is het veelal niet mogelijk om full range te meten. Dat is overigens niet altijd nodig. Daarom zult u ook kleinere dode kamers zien.

Andere aanpak

Wie geen dode kamer kan maken en toch fatsoenlijke metingen wil verrichten heeft twee opties: een Klippel systeem dat zéér vernuftig talloze ‘close mic’ metingen verricht en die samenvoegt, óf meten met een zogenaamde ‘time window’ of ‘gate’.

Nu kost een compleet Klippel meetsysteem ook meer dan 100.000 Euro als je het een beetje aankleedt, dus voor veel gebruikers valt die ook af. Dan blijven er een paar systemen over. Wij hebben gekozen voor de Clio 12 met QC software. Dat komt neer op ongeveer 3500 Euro exclusief microfoons, kabels en een computer. Wij gebruiken een DPA 4091 high spl microfoon – die is kaarsrecht van 20 Hz – 20 kHz – en hebben een centrale pc die we voor alle metingen inzetten; wel zo gemakkelijk.

Windowing

Hoe is het nu mogelijk om metingen te verrichten in een niet-dode-ruimte? Daar komt slimme software om te hoek kijken. Wij kunnen in de software een zogenaamde ‘window’ – ook wel ‘gate’ genoemd – aangeven. Deze ‘window’ geeft aan binnen welke periode de software moet meten. We moeten dus kijken op welke afstand de eerste reflecties plaatsvinden. In veel gevallen is dat de vloer of het plafond. Bij onze metingen meten we veelal op 1 meter afstand van de speaker én houden we die afstand ook aan als limiet. Als we dat omrekenen, komen we op een window uit van 3ms. (geluidssnelheid is 343 m/s, wat neerkomt op ongeveer 3ms voor 1 meter). Hier een handige rekentool voor wie lui is :-).

Bij de Clio 12 die we sinds kort hebben (juni 2023), kunnen we het overigens wat handiger doen door te kijken naar een impuls en daar aangeven waar de window open moet en waar deze weer moet sluiten. (Oftewel: waar begint en stopt de meting). Veelal zitten we dan ook rond de 3ms.

Het voordeel van deze methode van meten is dat we geen enkele last meer hebben van de akoestiek. Immers: die sluiten we buiten. Het nadeel is dat we geen laagweergave kunnen meten, aangezien de sinus van een lagere toon te lang is en dus te lang duurt voor de time window van 3ms. Alles onder de 300 Hz is dus in feite afgekapt.

Nu hebben daar wel sinds kort – juni 2023 – ook een oplossing voor: de Prism dScope blijkt een heel erg goed script te bevatten voor het meten van fase en frequentierespons van luidsprekers. Die script kan doorrekenen wat de laaggrespons is. En dat blijkt akelig nauwkeurig te zijn.

Wat meten we bij luidsprekers?

Nu zijn we sinds juni 2023 overgestapt op een ander systeem en moeten we nog routine ontwikkelen binnen dit systeem. Echter meten we standaard de volgende zaken bij een luidspreker:

• Frequentierespons (1 meter van voren, 1 meter off axis)
• Vervorming (THD met harmonischen, 1 meter van voren)
• Waterfall (resonanties)
• Impedantie (met de Sourcetronic LCR)
• Impulsrespons
• Group delay (sinds de CLIO 12)
• Fasegedrag

Deze metingen geven een goed overzicht van het gedrag van de luidspreker. Nu vinden we doorgaans frequentierespons minder interessant dan vervorming. Dit omdat vervorming veel meer zegt over de kwaliteit dan respons; dat is meer de tuning van de speaker. En dus de keuze van de fabrikant.

In de galerij hierboven ziet u vier screenshots van metingen. De eerste is een waterfall. Die geeft aan waar de resonanties in de speaker liggen. Hoe korter, hoe beter, aangezien dan de kast en unit niet natrillen.

Het tweede plaatje geeft bovenaan de frequentierespons weer en eronder een impuls response. De frequentierespons heeft een window, waardoor deze afvalt in het laag. U ziet het window eronder bij de impulsrespons: oranje is buitengesloten, geel is actief. De window loopt dus van 2 tot 6ms (en is dus 4ms in dit geval).

De reden dat een window zorgt voor laagafval (wordt feitelijk niet meegemeten) is dat een frequentie een golflengte heeft en dus tijd nodig heeft. Immers: tijd, afstand en snelheid zijn met elkaar verbonden. De tijd die een frequentie nodig heeft, is uit te rekenen met 1/T. In dit geval 1/4ms. Dat komt neer op 250 Hz. Binnen een window van 4ms past dus geen golflengte van een toon van 100 Hz, om maar een voorbeeld te noemen.

Met de Prism kunnen we dankzij wat slimme algoritmes toch meten wat de laagrespons zou zijn. Daarom vullen we sinds kort de metingen aan met een meting via de Prism dScope. U ziet hieronder dat we met gemak respons tot 100 Hz meten. Dit is een heel kleine speaker, dus -6 dB bij 70 Hz is zeker realistisch.

Tenslotte hebben we nog metingen van het fasegedrag (akoestische fase) én de impedantie en elektrische fase. De akoestische fase geeft vooral aan hoe goed de units samenwerken op gebied van fase (tijd). Staat het hoog, midden en laag wel in fase met elkaar? Dat is verrassend lastig om helemaal goed te doen, omdat zowel het filter als de plaatsing van de driver in de diepte invloed hebben. Bij veel luidsprekers ziet u dat de tweeter iets dieper ligt dan de middriver en woofer bijvoorbeeld. Dat is om de akoestische fase te corrigeren.  Zeer luxe high-end luidsprekers laten het toe het in de ruimte te optimaliseren. Denk aan modellen van Wilson of Estelon.

De Prism kan ook de akoestische fase meten. Dat is de rode lijn in de bovenstaande meting. Ideaal is deze recht, maar dat is praktisch onmogelijk. Daarbij zal het fasegedrag altijd veranderen in een ruimte door de akoestiek van de ruimte (reflecties, absorptie, afstandsverschillen tussen de luidsprekers, etc). Het is echter wel wenselijk om een systeem te hebben dat relatief fasecorrect is om mee te beginnen.

Impedantie en elektrische fase

De impedantie en elektrische fase zeggen veel over de aanstuurbaarheid van de luidspreker. Hoeveel stroom is er nodig om de speaker aan te sturen? Sommige merken zijn berucht omdat deze zeer diepe dips in de impedantie vertonen. Iets wat er voor zorgt dat een versterker heel hard moet werken, aangezien een lage impedantie als resultaat heeft dat er veel stroom geleverd moet worden. Niet elke versterker vindt dat fijn.

De bovenstaande grafiek is van de Graham Audio LS8-1. Dit is juist een heel vriendelijke speaker zonder gemene dips. De blauwe lijn is de impedantie. De oranje lijn is de elektrische fase.

De elektrische fase laat zien of spanning (volt) en stroom (ampère) in fase staan met elkaar, of dat ze voor- (positief) of achterlopen (negatief).

Een positieve fasedraaiing van 90 graden wil zeggen dat de stroom een kwart golflengte achterloopt op de spanning. Dat is het gevolg van een inductief circuit. Bij een hoge capaciteit is het juist andersom. Dan hebben we te maken met een negatieve fase en loopt de stroom voor op de spanning.

Nu lijkt een kwart golflengte (360 / 4 = 90) niet veel, maar het komt erop neer dat de stroom maximaal is en de spanning nul. Zie de grafiek hierboven. De stroom – geel – is maximaal en de spanning – zwart – is op de 0-lijn. Dat is in feite kortsluiting voor de versterker. En dus zéér lastig, zo niet onmogelijk. Gelukkig zien we dat niet in de praktijk.

Een fasedraaiing van 45 graden is al behoorlijk heftig voor een versterker, aangezien veel vermogen geleverd wordt en er maar weinig – een kwart ongeveer – door de speaker verwerkt wordt. In de praktijk gaat er veel verloren in hitte. Zonde. En het zorgt ervoor dat een versterker wellicht zijn best moet doen om stabiel te blijven.

U zult begrijpen dat een combinatie van een lage impedantie én een forse draaiing in fase een zeer uitdagende last kan vormen voor een versterker. Hierboven ziet u een voorbeeld van een Bowers & Wilkins 702 die een forse uitdaging kan vormen voor een versterker en daarnaast een TAD E2 die juist zeer vriendelijk is.

Afrondend

Het meten van luidsprekers kan dus op diverse manieren. Een dode kamer of een systeem als de Klippl is optimaal, maar zeer kostbaar. Een systeem als de Audiomatica Clio 12 maakt de drempel een stuk lager, maar je moet weten wat je doet én waar je naar kijkt.

De belangrijkste variabele is de time window. Deze heeft als consequentie dat de laagrespons en -informatie dus niet meetbaar is, omdat deze wegvalt door de time-window.