Ogłoszenie

Collapse
No announcement yet.

Pierścienie Faradaya ; Pierścienie symetryzujące pole - fakty i mity

Collapse
Ten temat jest przyklejony.
X
X
 
  • Filtr
  • Czas
  • Pokaż
Clear All
new posts

    Pierścienie Faradaya ; Pierścienie symetryzujące pole - fakty i mity

    Często dostaje maile i czytam na forach wiele tekstów o wadach/zaletach pierścieni. Wiele osób twierdzą, że pierścienie to tylko zbędny bajer z drugiej strony jest też wiele opinii, że pierścienie dają wyraźny efekt. Niestety nigdzie nie ma informacji co tak naprawdę dają.

    W tym temacie postaram się wyjaśnić jaką rolę odgrywają pierścienie - co dają, jakie są wady i zalety ich stosowania. Ze względu na ograniczoną ilość czasu jaką mogę poświęcić będę omawiał go w kilku etapach.
    W tym temacie nie odnoszę się do konkretnego głośnika. Do rozważań wybrałem głośnik niskośredniotnowy z cewką 1,5 cala i x-max na poziomie 3mm. Jest to wybór optymalny bo na jednym przykładzie chce przeanalizować wszystkie aspekty stosowania pierścieni od basu po przez środek pasma aż po wysokie częstotliwości.
    Część 1 - Pierścienie Fraradaya jako układ symetryzujący impedancję
    Podstawowa wada głośników dynamicznych wynika z ich budowy. Elementem wytwarzającym siłę napędową jest cewka. Cewka ta znajduje się w na razie załóżmy, że stałym polu magnetycznym przepływ prądu zmiennego wywołuje siłę która przenoszona jest przez karkas na membranę głośnika.
    Każdą cewkę charakteryzują dwa podstawowe parametry indukcyjność i rezystancja - nie inaczej sprawa wygląda w przypadku cewki głośnika. Na forach wiele jest informacji odnośnie wyższości cewek powietrznych nad cewkami rdzeniowymi. Wielu nawet nie dopuszcza możliwości stosowania cewek rdzeniowych w zwrotnicach audio. Niestety jeśli spojrzymy na budowę układu magnetycznego zauważymy, że nasza cewka jest .......... cewką rdzeniową. No dobrze ktoś może powie, że przecież cewki rdzeniowe nie są jednak takie złe. Możliwe ale co by były gdyby z naszej cewki w zwrotnicy ktoś na zmianę wyciągał i wkładał rdzeń? Noo właśnie i tu dochodzimy do sedna problemu. Nabiegunnik a dokładniej jego środkowa część stanowi odpowiednik rdzenia w cewce rdzeniowej. Na poniższym rysunku przedstawiono 3 położenia głośnika maksymalne wychylenie dodatnie; pozycja neutralna i maksymalne wychylenie ujemne (w granicach wychylenia liniowego).



    No dobrze ale czy w praktyce te zmiany są w ogóle zauważalne? Przeprowadziłem 3 pomiary impedancji dla głośnika „referencyjnego”.

    Jak widać rozjazd impedancji nawet przy głośniku z dość krótką cewką jest znaczny i dla typowej częstotliwości podziału w granicach 3kHz wynosi 10 ohm dla położenia „+” i 15 ohm dla położenia „-„ daje to „drobne” wahania impedancji w punkcie podziału na poziomie 50% - ciekawę co by powiedzieli na to „kabelkowcy, kondensatorowcy i cała reszta woodoaudio .
    Ok ale miało być o pierścieniach…
    Ten sam przykład ale w głośniku z zastosowanym pojedynczym pierścieniem symetryzującym pole.

    Nawet na oko widać, że jest lepiej – ale zwróćcie uwagę na skale poprzednio był 1 ohm na działkę a tu mamy 0,5 (żeby w ogóle coś było widać). Poprzednio było rozjazdu 5 ohm teraz może 1. Pięciokrotna poprawa to nie przelewki – a to dopiero jeden pierścień. Tu właśnie doskonale widać pierwszą ale nie jedyną zaletę pierścieni - kolosalna poprawa symetrii indukcyjności cewki w funkcji wychylenia. Co to daje?
    Po pierwsze głośnik bez pierścieni będzie miał inną charakterystykę częstotliwościową dla wychylenia + i – a to oznacza wysoką wartość drugiej harmonicznej. A co jeśli głośnik współpracuje ze zwrotnicą pasywną? No cóż pływa nam częstotliwość podziału….

    Ok ale czy to koniec ? Nie to dopiero początek… W części drugiej postaram się wyjaśnić rolę pierścieni jako układu minimalizującego impedancję przy okazji wyjaśni się to co wykazały pomiary z tej części.
    Zapraszam do dyskusji, zadawania pytań i wyciągania wniosków :)
    Last edited by Sound Wave; 13.12.2012, 21:32.

    #2
    Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
    Wielu nawet nie dopuszcza możliwości stosowania cewek rdzeniowych w zwrotnicach audio. Niestety jeśli spojrzymy na budowę układu magnetycznego zauważymy, że nasza cewka jest .......... cewką rdzeniową. No dobrze ktoś może powie, że przecież cewki rdzeniowe nie są jednak takie złe. Możliwe ale co by były gdyby z naszej cewki w zwrotnicy ktoś na zmianę wyciągał i wkładał rdzeń?
    rozmawialismy troche o budowie ukladu magnetycznego w subach do robienia cisnienia

    wspominales ze tak dlugi rdzen niekozystnie wplywa na parametry glosnika
    mozesz wyjasnic?
    bo z tego co napisales to powinno byc nawet kozystnie - przeciez "rdzen w cewce" jest staly

    Skomentuj


      #3
      Ciesze się Pawle, że podałeś ten przykład. Faktycznie ktoś wpadł tu na "genialny pomysł". W tym przypadku impedancja będzie stała ale pojawi się inny bardzo nieprzyjemny problem. Rozkład pola poza szczeliną będzie mocno nieliniowy. Dodatkowo tak wyprofilowana płytka nabiegunnika górnego powoduje, że pole w szczelinie jest bardzo słabe a wysoka wartość BL osiągana jest przez wysoką szczelinę. Mniej więcej w części 3-4 dokładnie opiszę jak dramatyczne ma to konsekwencje :)

      Skomentuj


        #4
        Kapitalny temat. Jak skończysz i nie masz nic przeciwko temu , wrzucimy to do działu artykułów.
        Last edited by dolphin123; 14.12.2012, 12:43.

        Skomentuj


          #5
          czekamy na artykuł jak to się ma do praktyki. Czy subiektywnie gra szczegółowo, zamulająco oraz z obiektywnej czyli jakieś pomiary ch-ek częstotliwosciowych.
          Bo mówiąc szczerze, na razie nie widzę celu stosowania w dwu drożnych zestawach tych pierścieni, skoro powyżej 2kHz jest cięcie i charakterystyka impedancji jest liniowa w połączeniu z wysokotonówką (bez piku f. rez wysokotonówki). I tutaj już nam nie pływa częstotliwość podzialu jak dobrze rozumiem.
          Drugie ciekawe pytanie, czemu nikt z wiodących producentów jeszcze tego nie zaaplikował pod hasłem "turbo ultra speaker" ?:)

          Skomentuj


            #6
            Ok mi pasuje :). Mam do was jeszcze jedno pytanie - chcę to zrobić na tyle prosto i zrozumiale na ile się da bez przekłamań (wzory tylko tam gdzie są niezbędne do zrozumienia problemu) ale jeśli wolicie mogę podejść do zagadnienia bardziej teoretycznie - więcej wzorów równań schematów zastępczych itp.

            Skomentuj


              #7
              Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
              ale jeśli wolicie mogę podejść do zagadnienia bardziej teoretycznie - więcej wzorów równań schematów zastępczych itp.
              Ja tam wole jakby było więcej wzorów, kto nie zrozumie to pominie, a tak będziemy mieli sytuacje bardziej jasną, co skąd i dlaczego.

              Skomentuj


                #8
                Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
                ie - więcej wzorów równań schematów zastępczych itp.
                Nie hamuj się :)

                Skomentuj


                  #9
                  Dobrze by było też wspomnieć o minusach pierścieni faradaya. Bo takowe też istnieją.

                  Ale należą się wielkie brawa za podjęcie tematu przez osobę bardzo wiarygodną i chęć doedukowania oraz konkretnego i rzetelnego posta na dany temat, gdzie nikt go nie poruszył na forach polskojęzycznych.

                  A swoją drogą (nie chcę nikogo urazić moja wypowiedzią!) ale bardzo dobra strategia firmowa! Nawet jeżeli to z Twojej inicjatywy Sound Wave, to tylko na korzyść Polskich producentów stosujących to rozwiązanie technologiczne.

                  Z chęcią będę czytał dalszą część tego artykułu.

                  Pozdrawiam

                  Skomentuj


                    #10
                    na forum jest duzo zaawansowancyh uzytkownikow, ale zdecydowana wiekszosc to "zieloni"
                    tak wiec lepiej podziel swoje wypowiedzi na 2 czesci
                    1 - prostym jezykiem
                    2 - dla zaawansowanych

                    Skomentuj


                      #11
                      Zamieszczone przez El_liero Zobacz posta
                      Bo mówiąc szczerze, na razie nie widzę celu stosowania w dwu drożnych zestawach tych pierścieni, skoro powyżej 2kHz jest cięcie i charakterystyka impedancji jest liniowa w połączeniu z wysokotonówką (bez piku f. rez wysokotonówki). I tutaj już nam nie pływa częstotliwość podzialu jak dobrze rozumiem.
                      Przeanalizuj pierwszy wykres charakterystyki impedancji dla wychylenia dodatniego i ujemnego są zbliżone dopiero dla częstotliwości w granicach 200-300Hz. Przy 2kHz nadal mamy rozjazd rzędu 4-5 ohm. Idealna sytuacja występuje gdy charakterystyki z pierwszego wykresu (niebieska ; żółta ; pomarańczowa) by się pokrywały - nie ważne jaki kształt ważne żeby były takie same.

                      No dobra ktoś mógł by pomyśleć, że dla głośnika subwooferowego pierścienie są bez sensu bo gra do jakiś 100Hz. Niestety nic bardziej mylnego - tu mamy cewkę 1,5" i stosunkowo mały X-max. Im większa średnica cewki i im większy X-max tym problem większy i zaczynający się od niższych częstotliwości.

                      Zamieszczone przez Hand Zobacz posta
                      Dobrze by było też wspomnieć o minusach pierścieni faradaya. Bo takowe też istnieją.
                      Oczywiście, że istnieją wspomnę o nich w kolejnych częściach.

                      Skomentuj


                        #12
                        Ja myślę że ci zieloni nie będą sobie zaprzątali głowy jakimś faradayem:) Lepiej opracować raz a dobrze.

                        Skomentuj


                          #13
                          Część 2 Pierścienie Faradaya jako układ minimalizujący impedancję głośnika

                          Jak już wspomniałem w pierwszej części indukcyjność cewki głośnika jest parametrem niepożądanym. W przypadku głośników niskotonowych i subniskotonowych sama indukcyjność cewki nie jest jeszcze tak istotnym problemem. Co jednak gdy mamy do czynienia z głośnikiem niskośredniotonwym czy wysokotonowym? Z teorii filtrów wiadomo, że układ zaprezentowany na poniższym schemacie to filtr dolnoprzepustowy.

                          Niestety jest to również uproszczony schemat zastępczy głośnika dla wyższych częstotliwości.
                          Częstotliwość graniczna takiego układu można obliczyć ze wzoru:
                          Fg=R/(2*π*L)
                          Gdzie:
                          R – Rezystancja cewki
                          L – Indukcyjność cewki
                          Teraz pozostaje pytanie jak oszacować indukcyjność cewki? Indukcyjność cewki powietrznej można obliczyć z następującego wzoru:
                          L=π*r^2*μ_0 N^2/h
                          L- Indukcyjność cewki
                          r- promień cewki
                          N – Liczba zwojów cewki
                          H – wysokość cewki
                          u0 – przenikalność magnetyczna próżni/powietrza
                          Niestety jak już wspomniałem w przypadku głośników mamy do czynienia z cewką rdzeniową

                          L=π*r^2*μ_0*μ_r N^2/h
                          ur – Przenikalność magnetyczna ośrodka (dla cewek rdzeniowych).
                          Niestety ciężko określić jaką wartość przyjmuje parametr ur więc obliczenie indukcyjności będzie niemożliwe.
                          Więc w ogóle po co ten wzór?
                          Wzór przytoczyłem głównie dla tego, żeby uzmysłowić od jakich parametrów zależy indukcyjność cewki . Jak widać im większy promień tym większa indukcyjność i im większa ilość zwoi. Czyli im mocniejszy głośnik z większym parametrem X-max tym gorzej – i to w kwadracie….
                          Przejdźmy do praktyki typowa wartość indukcyjności dla głośnika midbasowego z cewką 1,5” mieści się w granicach 0,6-1,2mH. Teoretycznie oznaczało by to roll-off w granicach 1-1,5kHz. Dla czego tak się nie dzieje? Po części jest to zasługą niedoskonałości reszty układu drgającego ale jest to temat zbyt obszerny, żeby go dokładnie wyjaśnić w tym artykule. Dobrym przykładem ilustrującym, że taka sytuacja faktycznie ma miejsce jest pomiar w polu bliskim. Tam charakterystyka opada znacznie wcześniej niż przy pomiarach z większej odległości. Dzieje się tak, gdyż badamy promieniowanie małego wycinka membrany a nie jej całości. Podział membrany powoduje, że efektywna masa dla wyższych częstotliwości spada co powoduje wzrost efektywności. Dodatkowym „atutem” jest efekt baffle step.
                          Co dają nam tu pierścienie?
                          Dla naszego modelowego głośnika wartość indukcyjności z 0,8mH spadła do zaledwie 0,2mH – znowu znaczny postęp. Taka zmiana pozwala przesunąć roll-off w granicę 4,5kHz – znaczny postęp nieprawdaż?
                          Dla porównania charakterystyka impedancji z pierścieniem i bez pierścienia

                          Jak widać do 1kHz różnice są pomijalne – powyżej mamy kolosalną poprawę.
                          No dobrze – ale czemu kawałek miedzi przynosi takie korzyści?
                          Można to wyjaśnić na dwa sposoby – korzystając z prawa Ampera, Faradaya i reguły Lentza – dość długi wywód teoretyczny który dodatkowo jest mało intuicyjny. Możemy też sprowadzić problem do innego dobrze znanego zagadnienia w którym również występują identyczne zależności.
                          Na poniższym schemacie przedstawiłem uproszczony schemat głośnika z pierścieniem Faradaya.

                          Czy coś wam to przypomina? No właśnie to transformator!
                          Jak działa transformator nie będę opisywał – opracowań jest masa.
                          Nas interesuje jedna najważniejsza zależność
                          Dla stanu jałowego impedancja transformatora jest w przybliżeniu równa impedancji uzwojenia pierwotnego
                          Z≈Z_1
                          Dla stanu zwarcia impedancja transformatora jest w przybliżeniu równa sumie rezystancji! uzwojeń strony pierwotnej i rezystancji uzwojeń strony wtórnej przeniesionej na stronę pierwotną z współczynnikiem równym przekładni transformatora.
                          Z≈R_1+〖R'〗_2*ϑ
                          Efekty widać wyraźnie na poprzednim wykresie.
                          Jeśli ktoś dysponuje dokładnymi wzorami na impedancję strony pierwotnej transformatora było by fajnie to uściślić (może przy transformatorach do przetwornic to stosujecie? )

                          Niestety – życie nie jest idealne – powyższy wzór dobrze sprawdza się w przypadku transformatorów sieciowych (50Hz) – ze względu na zastosowany rdzeń skojarzenie uzwojeń jest bliskie jedności a impedancja w stanie zwarcia jest pomijalna w odniesieniu do rezystancji uzwojeń – do zastosowań inżynierskich wystarcza :).
                          W przypadku głośników niestety znowu możemy się posłużyć tym wzorem jedynie w celach poglądowych…
                          Witać tu wyraźnie, że pierścień będzie działał tym efektywniej im lepiej skojarzony będzie z cewką – czyli im mniejsza odległość pierścień uzwojenie.
                          Nie mniej ważna jest rezystancja pierścienia – czyli jego grubość. Jeżeli założymy, że nasz pierścień ma rezystancję na poziomie 0,1ohm a cewka ma z naszego przykładu 100 zwoi (tak naprawdę ma około 110 ale uprościmy obliczenia). Wynika z tego, że rezystancja przeniesiona na stronę pierwotną wyniesie 1 ohm – robi się sporo a co przy głośnikach z długim nawojem…

                          PROŚBA - Jeśli ktoś ma zainstalowany jakiś program w stylu spice'a mógł by przeprowadzić symulację dla kilku przypadków rezystancja uzwojenia pierwotnego w granicach 5-6 ohm rezystancja pierścienia 0,1 i np 0,01ohm? impedancja uzwojenia pierwotnego w granicach 0,8mH i powiedzmy 2mH.
                          Last edited by Sound Wave; 14.12.2012, 23:25.

                          Skomentuj


                            #14
                            Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
                            Jeśli ktoś dysponuje dokładnymi wzorami na impedancję strony pierwotnej transformatora było by fajnie to uściślić (może przy transformatorach do przetwornic to stosujecie? )
                            Mogę wyprowadzić ale będzie to skomplikowana zależność nawet przy uwzględnieniu podstawowych rzeczy.


                            Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
                            PROŚBA - Jeśli ktoś ma zainstalowany jakiś program w stylu spice'a mógł by przeprowadzić symulację dla kilku przypadków rezystancja uzwojenia pierwotnego w granicach 5-6 ohm rezystancja pierścienia 0,1 i np 0,01ohm? impedancja uzwojenia pierwotnego w granicach 0,8mH i powiedzmy 2mH.
                            Nie wiem czy dobrze dobrałem sprzężenie i L2:


                            R1 = 5
                            L1 = 2mH

                            R2 = 0.1 niebieski.
                            R2 = 0.01 czerwony

                            (niestety imageshack odmawia mi posłuszeństwa)
                            https://docs.google.com/file/d/0BzfG...NTWjdxNFk/edit

                            Tym razem zmienny R2 od 0.01 do 0.1 co 0.01 dla dwóch przypadków:
                            0.1 od góry.
                            L1 = 2mH
                            L1 = 0.8mH
                            https://docs.google.com/open?id=0Bzf...md5cl85TndtZ1k

                            Skomentuj


                              #15

                              mam nadzieje ze przynajmniej scan robi dobrze suby z duzym skokiem?

                              Skomentuj


                                #16
                                Dzięki Raven dokładnie o coś takiego mi chodziło - w sumie nie jest istotne jakie dobrałeś parametry - na pewno sprawdziły by się dla jakiegoś głośnika :). Z tego co zaobserwowałem (i co jest logiczne) to samo sprzężenie obwodów jest wartością charakterystyczną dla danego układu. Odnośnie impedancji strony wtórnej to jest ona pomijalna jeden zwój o wymiarach średnica 35mm wysokość 20mm ile to może mieć 0,1uH?

                                Na przedstawionych przez Ravena symulacjach doskonale widać jak silna jest zależność między rezystancją pierścienia a charakterystyką impedancji - nawet różnica między 0,01 a 0,02 jest dość znaczna. Co to oznacza - im grubszy pierścień tym lepiej :)

                                Zamieszczone przez Pawel S. Zobacz posta
                                mam nadzieje ze przynajmniej scan robi dobrze suby z duzym skokiem?

                                Wydaje się, że tu jest wszystko ok :) Jednak, żeby dokładnie ocenić poprawność doboru wysokości pierścieni trzeba by zniszczyć kilkanaście gotowych głośników.

                                Wyjaśnię to jak dokonałem pomiarów impedancji z części pierwszej - pewnie zdziwiło was, że nie widać piku impedancji dla częstotliwości rezonansowej - to bardzo proste rezonansu nie było :). Na potrzeby testu zmarnowałem 6 układów magnetycznych. Cewka została osadzona w pozycjach jak na pierwszym rysunku a następnie cała szczelina magnetyczna została wypełniona żywicą - niestety nie da się tego zrobić inaczej...

                                ---------- Post dodany o 15:42 ---------- Poprzedni post o 13:42 ----------

                                Część 3 Wpływ Pierścieni na charakterystykę częstotliwościową głośnika.
                                Ta część pozbawiona będzie wykładów teoretycznych wzorów i równań – zostaje to co najfajniejsze bezpośrednie porównanie głośnika z pierścieniem i bez pierścienia. Wykres został maksymalnie wygładzony, żeby można się było skupić na różnicach w charakterystykach głośników a nie na samym ich przebiegu.



                                Na powyższym wykresie widać to co najważniejsze. To naprawdę działa!
                                Analizując powyższy wykres można stwierdzić, ze charakterystyka impedancji bezpośrednio przekłada się na charakterystykę częstotliwościową głośnika. Do częstotliwości 1kHz różnice w charakterystyce częstotliwościowej jak i impedancji można uznać za pomijalne. Dla typowej częstotliwości podziału w granicach 2,5kHz mamy już różnicę 3dB to sporo ale jeszcze nie powala. Załóżmy jednak na chwilę, że chcemy z takich czy innych względów zastosować wysoki podział w okolicach 5kHz tu różnica sięga już 7dB!
                                Zapomnijmy na chwilę, że mamy do czynienia z głośnikiem niskośredniotnowym i pomyślmy o głośnikach szerokopasmowych. Większość głośników szerokopasmowych ma bardzo przeciętne parametry jeśli chodzi o zakres niskich częstotliwości. Czemu tak się dzieje? Większość tanich szerokopasmówek projektowana była z myślą o telewizorach, radiach lampowych czy wszelkiej maści sprzęcie przenośmy – w założeniu miały to być bardzo tanie i proste w produkcji. Idealnym przykładem jest tutaj tesla ARZ 6608. Jednak producenci musieli w tani i prosty sposób walczyć z impedancją cewki tak, żeby głośnik przenosił zakres powyżej 5kHz bez tragicznego spadku. Jak to najprościej osiągnąć – zmniejszając średnicę cewki i wysokość uzwojenia. Wspomniana tesla ma cewkę 25mm i X-max w granicach 1mm….
                                Czy jednak da się to zrobić lepiej? Oczywiście nasz modelowy głośnik doskonale pokazuje jaki potencjał drzemie w pierścieniach dla częstotliwości w granicach 15kHz zysk efektywności wynosi ponad 12dB! Przy wykorzystaniu pierścieni da się stworzyć świetny głośnik szerokopasmowy który w paśmie nisko tonowym sprawdzi się równie dobrze jak rasowy midwoofer a resztę pasma odtworzy lepiej niż typowa szerokopasmówka.

                                Skomentuj


                                  #17
                                  To ze szerokopasmowka ciagnie dobrze do gory juz sie przekonalem (F155), ale ze zagra tez basem? Musze poczekac na wasz topowy produkt

                                  Skomentuj


                                    #18
                                    Zamieszczone przez Sound Wave Zobacz posta
                                    ile to może mieć 0,1uH?
                                    Przyjąłem 1uH :)

                                    Skomentuj


                                      #19
                                      Sw ale czy można cos takiego osiągnąć prostym korektorem impedancji?
                                      Juz mi sie nie chce...

                                      Skomentuj


                                        #20
                                        Ciężko stwierdzić ile tak naprawdę wynosi ta indukcyjność bo zmierzyć się tego się chyna nie da a jakoś nie do końca wierzę, że wzór na indukcyjność cewki sprawdzi się dla N=1 :)

                                        ---------- Post dodany o 22:35 ---------- Poprzedni post o 21:59 ----------

                                        Zamieszczone przez lklukasz Zobacz posta
                                        Sw ale czy można cos takiego osiągnąć prostym korektorem impedancji?
                                        Niestety korektor impedancji kompletnie nic nie da. Wynika to z jego zasady działania - w żaden sposób nie niweluje on nieliniowości układu magnetycznego.
                                        Tak samo nie "podniesie" on charakterystyki.

                                        Skomentuj

                                        Czaruję...
                                        X