Impedancja wypadkowa kolumn

Cześć,

czy dla impedancji znamionowej 8 ohm najniższa zmierzona impedancja dla kolumny z zamontowanymi głośnikami 7 ohm jest dobra i czy jest np akceptowalna maksymalna impedancja 16 ohm? To 16 nie jest w punkcie podziału dwóch filtrów. W punkcie podziału mam akurat 7,9ohm.
(pomijam tu górkę rezonansową dla głośnika niskotonowego na 50Hz) Najgorsza jest mała impedancja? Punkt podziału też nie może być w miejscu gdzie impedancja samego głośnika np wysokotonowego jest duża wtedy efektywność filtrów jest kiepska. W książce wyczytałem, że niektóre wzmacniacze są wrażliwe na nadmierny wzrost impedancji w punkcie podziału filtrów. Co to znaczy nadmierny 100 ohm?

Witam.

Dla zestawu głośnikowego o impedancji znamionowej wynoszącej 8 omów, moduł impedancji zgodnie z normą nie powinien przyjmować wartości niższych od 80% wartości impedancji znamionowej, co dla zespołu ośmioomowego oznacza 6,4 oma. Wzmacniacze lampowe z transformatorami na wyjściu oraz półprzewodnikowe wzmacniacze transkonduktancyjne o zasadzie działania zbliżonej w pewnym zakresie do źródła prądowego wykazują tendencję do zakrzywiania charakterystyki poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości w obszarach lokalnych przyrostów modułu impedancji.

Poniżej zamieszczam przykładową charakterystykę modułu impedancji w funkcji częstotliwości głośnika pracującego w obudowie zamkniętej:

Jak widać na poniższym rysunku, charakterystyka poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości przy pracy głośnika z pobudzeniem napięciowym (linia czerwona) różni się od charakterystyk poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości przy pracy głośnika z pobudzeniem prądowym (pozostałe linie). W tej sytuacji lokalny przyrost wartości modułu impedancji powoduje lokalny przyrost wartości poziomu ciśnienia akustycznego:


W załączniku zamieszczam także publikację prasową na ten temat:


Zagadnienia te zostały w szczegółowy sposób opisane w moich książkach pt.: "Wprowadzenie do projektowania układów zwrotnic zestawów głośnikowych. Poradnik praktyczny." a także "Wprowadzenie do projektowania układów elektronicznych subwooferów aktywnych. Poradnik praktyczny.".

Istnieje także anglojęzyczna książka poświęcona tej tematyce, pt. "Current-Driving of Loudspeakers: Eliminating Major Distortion and Interference Effects by the Physically Correct Operation Method", której autorem jest fiński uczony - Pan mgr inż. Esa Meriläinen.

Z poważaniem

Tomasz Łysek

Aktualnie czytam Pana książkę i jestem bardzo zadowolony.

Dziękuje za te wykresy oraz artykułu.

Mam jeszcze kilka pytań.

1. Czyli impedancja ma znaczenie głównie dla wzmacniaczy lampowych i transkoduktancyjnych. Rozumiem, że wzmacniacze napięciowe stanowią główną część rynku?
Tak sobie szacuje pewnie 95%? Mam namyśli takie klasyczne rozwiązanie wzmacniacz i dwie kolumny dwu albo trzy drożne.

2. Transkoduktancyjne głownie w subwoofera?
Cytuje z artykułu:
,,
W niektórych zakresach częstotliwości
akustycznych następuje bowiem
zmniejszenie poziomu zniekształceń
nieliniowych, z kolei w innych występuje
jego zwiększenie. Ogranicza to zakres zastosowań
tego typu układów niemal wyłącznie
do subwooferów aktywnych pracujących
w zakresie najniższych częstotliwości pasma
akustycznego.''

3.
Znalazłem tu taką kolumnę w której autor pokazuje na końcu wykres impedancji. Zamieszczam go tu poniżej. Tok myślenia przeprowadzę na tym przykładzie właśnie.
Link:

Mając wzmacniacz lampowy i dwie kolumny dwudrożne i charakterystykę impedancji jak poniżej to wtedy może być zniekształcony SPL w punktach np. 80Hz i 1,5kHz?
Zakładając, że pomiary samych głośników już w docelowych kolumnach bez zwrotnicy robiliśmy wzmacniaczem napięciowym wyrównaliśmy poziom SPL i impedancje.

Przykładowy wykres SPL do impedancji poniżej w celu analizy.


Do takiej impedancji podłączam teraz wzmacniacz lampowy albo transkoduktancyjny to zniekształci on mi SPL przez to, że wzmacniacz wymusi większe napięcie i większy przepływ prądu niż w przypadku wzmacniacza napięciowego w danym punkcie charakterystyki (np 1,5kHz) a większy prąd to większa indukcja magnetyczna od cewki która oddziałuje z indukcją magnetyczną magnesu a to powoduje większą siłę czyli F = B*I*L (L długość przewodnika w polu, I - prąd). Tak to rozumiem. Jest to poprawne?


Wykres impedancji


4. Czy taka impedancja jest akceptowalna dla wzmacniacza napięciowego i wyrównanego ładnie SPL?
Mając wzmacniacz napięciowy przy większej impedancji np. 1,5kHz popłynie mniejszy prąd przez uzwojenie, i wygeneruje to odpowiednie ciśnienie akustyczne zgodnie z przeprowadzoną symulacją komputerową oraz fizycznymi pomiarami mikrofonem - tak będzie.

5. Stosując wzmacniacz napięciowy najgorszym punktem wykresu impedancji będzie najniższy punkt wykresu? A wartości typu 10 16, 18 ohm nie będą problemem i uzyskam zadowalające ciśnienie akustyczne tak jak uzyskał to autor tych wykresów które tu omawiamy?
Pomijam tu kwestie punktu podziału na filtrze gdzie impedancja głośnika dynamicznego jest wysoka np 50ohm.

6. Czytam też gazetkę z Audio i przeglądałem różne impedancje różnych kolumn i z reguły pojawiają się górki na 30 ohm 20, 15ohm u Pana w książce jest to praktycznie ładnie 8 ohm +-15%, ale to chyba nie zawsze tak się uda i jest jakiś kompromis.
Tu z gazetki przykład. Zrobiono podział na 1,5kHz co moim zdaniem jest zbyt nisko (przydałby się też wykres zniekształceń harmonicznych do tego). Też sama energia w tych zakresach jest duża. Impedancja 20ohm na 1,5kHz czyli w punkcie podziału nie wygląda to zbyt dobrze szacuje, że efektywność filtrów może nie być zbyt dobra.
W gazetce opisując, że nada się ta kolumna do wzmacniacza lampowego.
Skoro tu są takie górki impedancji to ten wzmacniacz zakrzywi nam SPL własnie tak na 1,5kHz gdzie też jest ta górka impedancji a to w krytycznym punkcie pasma słyszalnego dla ucha?




Podsumowując
Myślę, że można mieć impedancję większą np 20ohm w jakimś punkcie stosując w większości zastosowań wzmacniacz napięciowy.

Witam ponownie.

1) Klasyczny półprzewodnikowy wzmacniacz napięciowy charakteryzuje się małą impedancją wyjściową i dużym współczynnikiem tłumienia. Wzmacniacz prądowy ma z kolei dużą impedancję wyjściową i mały współczynnik tłumienia. W związku z powyższym jest on czuły na wahania wartości modułu impedancji zespołu głośnikowego, szczególnie powyżej wartości impedancji znamionowej.

2) W zasadzie tak, ponieważ w subwooferach aktywnych istnieje możliwość zaprojektowania stopnia mocy dedykowanego pod konkretny głośnik pracujący w konkretnej obudowie. Wzniesienie na charakterystyce poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości spowodowane wzniesieniem na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości pochodzącym od rezonansu głośnika w obudowie można skompensować przy pomocy żyratora lub pułapki rezonansowej RLC.

3) Po podłączeniu zestawu głośnikowego zoptymalizowanego do współpracy ze wzmacniaczem napięciowym do wzmacniacza prądowego, zniekształcenie charakterystyki poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości nastąpi wszędzie, gdzie moduł impedancji będzie przyjmował wartości wyższe od impedancji znamionowej. We wzorze F=B*I*L symbol B oznacza indukcję magnetyczną panującą w szczelinie powietrznej obwodu magnetycznego głośnika. Indukcja B oraz długość uzwojenia L cewki głośnikowej na karkasie są stałe. Jeśli prąd I wzrośnie to siła elektrodynamiczna F też wzrośnie. Będzie to wyraźnie słyszalne w zakresie częstotliwości od 1 do 3 kHz ponieważ słuch ludzki jest w tym zakresie szczególnie wrażliwy.

4,5) Zgodnie w przedstawionymi charakterystykami zestaw głośnikowy jest czteroomowy i będzie bezpieczny dla stopnia mocy wzmacniacza napięciowego przystosowanego do pracy z obciążeniem czteroomowym. Istnieją jednak zestawy głośnikowe, np. Focal Maestro, gdzie producent deklaruje, że ten zestaw jest ośmioomowy a minimum na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości w otoczeniu częstotliwości 100 Hz przyjmuje wartości poniżej dwóch omów. Jest to niezgodne z normami i może być przyczyną uszkodzenia wzmacniacza na skutek przeciążenia.



6) Tego typu wzniesienia na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości w otoczeniu częstotliwości podziału mogą występować na skutek:

- stosowania prostych filtrów niskich rzędów bez kompensacji przy pomocy np. obwodów Zobla,

- rozsuwania częstotliwości podziału w przypadku zastosowania filtrów dowolnych rzędów nawet z układami kompensacyjnymi (dla układu dwudrożnego częstotliwości te nie są wówczas sobie równe i fd filtra dolnoprzepustowego jest niższa od fg filtra górnoprzepustowego).

Ponadto istnieje filtr Linkwitza-Rileya drugiego rzędu, który nawet obciążony rezystancyjnie spowoduje powstanie wzniesienia na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości stanowiącego dwukrotność impedancji znamionowej:

Filtr Linkwitza-Rileya rzędu drugiego obciążony rezystancyjnie:

a) Brak podbicia (0 dB) na częstotliwości podziału na wypadkowej charakterystyce amplitudowo-częstotliwościowej.

b) Górka na częstotliwości podziału +100% wartości impedancji znamionowej (np. 16 omów dla obciążenia ośmioomowego) na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości.

c) Głośnik wysokotonowy podłączony afazowo względem niskotonowego.

Dla porządku przypomnijmy:

Dla filtrów rzędu drugiego:

Zestaw dwudrożny, GDW afazowo względem GDN:

- Filtr Czebyszewa = +6 dB podbicia na podziale.

- Filtr Butterwortha = +3 dB podbicia na podziale.

- Filtr Bessela = +1 dB podbicia na podziale.

- Filtr Linkwitza-Rileya = 0 dB podbicia na podziale.

Ale już dla filtrów rzędu trzeciego:

Zestaw dwudrożny, GDW synfazowo względem GDN:

- Filtr Butterwortha = 0 dB podbicia na podziale.

Teraz moduł impedancji dla poszczególnych filtrów obciążonych rezystancyjnie:

Filtr drugiego rzędu, zestaw dwudrożny:

- Filtr Czebyszewa = dolina na podziale -50% wartości impedancji znamionowej (np. 4 omy dla obciążenia ośmioomowego).

- Filtr Butterwortha = brak odkłonienia na podziale (np. 8 omów dla obciążenia ośmioomowego).

- Filtr Bessela = górka na podziale +50% wartości impedancji znamionowej (np. 12 omów dla obciążenia ośmioomowego).

- Filtr Linkwitza-Rileya = górka na podziale +100% wartości impedancji znamionowej (np. 16 omów dla obciążenia ośmioomowego).

Filtr trzeciego rzędu, zestaw dwudrożny:

- Filtr Butterwortha = brak odkłonienia na podziale (np. 8 omów dla obciążenia ośmioomowego).

Konkludując:

- Jeśli oczekuje się, że zestaw głośnikowy powinien grać podobnie przy współpracy z dowolnym rodzajem wzmacniacza, stosujemy zasadę, w której charakterystyka modułu impedancji poza zakresem rezonansu głośnika niskotonowego jest maksymalnie zbliżona do linii prostej. Akceptowalne są odchyłki w granicach +/- 20% lub jeszcze lepiej +/−15% wartości impedancji znamionowej zestawu głośnikowego. Jest to oczywiście tylko sugestia i każdy konstruktor powinien podejmować w projekcie decyzje samodzielnie, biorąc jednak pod uwagę, że każdy zabieg konstrukcyjny obarczony jest zawsze pewnym kosztem...

Z poważaniem

Tomasz Łysek

Dziękuje za wypowiedź.

a) W książce Pan pisze, że ,,Warto nadmienić, że współczesne wzmacniacze posiadają zabezpieczenia, które są czułe na nadmierny wzrost modułu impedancji zestawu głośnikowego''.
Co oznacza nadmierny? Jakiś przedział wartości impedancji np 100-200 ohm? Pewnie to też będzie zależało od konstrukcji wzmacniacza. Bardziej mnie zastanawia czy takie 16 ohm może być problemem? Albo 70 ohm dla głośnika niskotonowego?

b) A czy są wzmacniacze lampowe które nie zachowują się jak wzmacniacz transkonduktancyjny?

Po podłączeniu zestawu głośnikowego zoptymalizowanego do współpracy ze wzmacniaczem napięciowym do wzmacniacza prądowego, zniekształcenie charakterystyki poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości nastąpi wszędzie, gdzie moduł impedancji będzie przyjmował wartości wyższe od impedancji znamionowej

Kliknij, aby rozszerzyć...

Dla takiego wzmacniacza lampowego jedynie charakterystyka impedancji w funkcji częstotliwości spowoduje odchylenia SPL w funkcji częstotliwości. Przy wykonywaniu pomiarów wzmacniaczem napięciowym o małej impedancji wyjściowej.

Co oznacza, że:
Kolumna głośnikowa o takiej impedancji nie nadaje się do wzmacniacza lampowego który jest transkonduktancyjny? W gazetce sugerują, że może pracować z lampowym a z analizy tutaj rozumiem, że użycie tych kolumn do takiego wzmacniacza spowoduje spore odchyłki SPL w porównaniu do wzmacniacza napięciowego?



c) Małe szanse, że wzmacniacz półprzewodnikowy transkonduktancyjny się spotka dla kolumn dwu albo trzy drożnych i w 99% będzie to wzmacniacz napięciowy?


d)

Jest to oczywiście tylko sugestia i każdy konstruktor powinien podejmować w projekcie decyzje samodzielnie

Kliknij, aby rozszerzyć...

To prawda zawsze to są dodatkowe koszty. Wydaje mi się, że jak mamy wzmacniacz napięciowy a z tego wynika, że głownie takie wzmacniacze są. Filtry działają zgodnie z założeniami a impedancja gdzieś wyniesie nawet 15-20ohm oraz minimum impedancji 6,4ohm i charakterystyka SPL w funkcji częstotliwości jest wyrównana w pomiarach oraz symulacji to śmiało można powiedzieć, że kolumna jest poprawnie wykonana (kwestia konstruktora). Zawsze jest też mniejszy pobór prądu przez wzmacniacz napięciowy a osiągamy oczekiwany SPL.
Wyjątkiem jest tu wzmacniacz lampowy transkonduktancyjny.
Tu przytaczam jeszcze raz takie charakterystyki kolumny. Jak przeglądałem różne charakterystyki kolumn to zdarzają się podobne wykresy jak tu więc chyba większość konstruktorów podchodzi z myślą o wzmacniaczach napięciowych.
Czy jest tu jakiś błąd w moim rozumowaniu?




Pozdrawiam

1) Załóżmy, że podłączyliśmy nowoczesny wzmacniacz półprzewodnikowy do dwudrożnego zestawu głośnikowego i przepalił nam się głośnik wysokotonowy. W tej sytuacji na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości powstanie bardzo duży przyrost wartości tego modułu impedancji powyżej częstotliwości podziału. Każdy głośnik charakteryzuje się pewną indukcyjnością uzwojenia. Aby nie zadziałało to jak "aparat zapłonowy", wzmacniacz rozłączy przekaźniki głośnikowe i przejdzie do trybu "standby" lub wyświetli kod błędu na wyświetlaczu. Podobny efekt może wystąpić kiedy podłączymy do takiego wzmacniacza zestaw głośnikowy, który posiada np. kilkudziesięcioomowe wzniesienie na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości w otoczeniu częstotliwości podziału. W najmniej korzystnym przypadku wzmacniacz podczas pracy z pełnym wysterowaniem może zacząć rozłączać stopień mocy w takt odtwarzanego utworu muzycznego.

2) We wzmacniaczu lampowym, niezależnie od tego, czy jego stopień mocy będzie wykonany w układzie niesymetrycznym (tzw. "SE" - "single ended") czy symetrycznym (tzw. "PP" - "push-pull") na wyjściu znajduje się z reguły transformator głośnikowy. Wynika to z faktu, że lampowy stopień mocy ma impedancję wyjściową rzędu kiloomów a impedancja obciążenia (głośnik lub zestaw głośnikowy) jest rzędu omów. Uzwojenie wtórne, do którego podłączony jest głośnik lub zestaw głośnikowy będzie miało impedancję rzędu omów, co w porównaniu z impedancją wyjściową napięciowego wzmacniacza półprzewodnikowego (rzędu miliomów) będzie wartością wielokrotnie większą. Duża impedancja wyjściowa, a co za tym idzie, mały współczynnik tłumienia, to warunki pracy zbliżone w określonym zakresie bardziej do źródła prądowego niż napięciowego.

3) W gazecie autorom artykułu chodziło zapewne o to, że minimum wartości modułu impedancji przypada na około 5,5 oma, co nie jest w stanie przeciążyć wzmacniacza lampowego z transformatorem nawiniętym dla czteroomowego obciążenia. Milczeniem jednak pominięto fakt, że sygnał o częstotliwościach około: 28 Hz, 68 Hz oraz 1400 Hz będzie odtwarzany z dużo większą skutecznością niż w przypadku współpracy tego zestawu głośnikowego z półprzewodnikowym wzmacniaczem napięciowym. Można to sprawdzić samodzielnie przeprowadzając tzw. "test ślepy" polegający na przełączaniu wzmacniacza lampowego i półprzewodnikowego pomiędzy tym samym źródłem sygnału a tym samym zestawem głośnikowym.

4) Najwięcej mocy i tak wydzieli się przy najniższych częstotliwościach pasma akustycznego:



5) Do tego dochodzi obciążenie wzmacniacza tzw. "mocą bierną" przez wzgląd na to, że wszelkim odchyłkom na wypadkowej charakterystyce modułu impedancji zestawu głośnikowego w funkcji częstotliwości towarzyszą także odchyłki na charakterystyce kąta fazowego w funkcji częstotliwości:

Dziękuje za pomoc i odpowiedzi dużo mi to wyjaśniło i że trzeba uważać na wzmacniacze lampowe.

1) Taki nowoczesny wzmacniacz poradziłby sobie z taką charakterystyką? Dla niskotonowego to jest nawet 43ohm (ramka niebieska), ramka pomarańczowa koło 16. Jeżeli dobrze rozumiem to dla nowoczesnego wzmacniacza który by posiadał takie zabezpieczenia nawet z tą górką by trzeba walczyć na 32Hz i 75Hz? Widziałem już nawet górki rezonansowe na 80ohm.
Jak dla mnie taki peak impedancji nie jest zły bo wzmacniacz ma w tym momencie największa sprawność przy największej impedancji dla np. 75Hz i osobiście bym z tym nie walczył.
I też bardzo duża liczba projektowanych kolumn widać, że posiada podobne te impedancje więc szacuje, że producenci wzmacniaczy są przygotowani na takie charakterystyki.

Tu inny przykład widać, że impedancja w całym paśmie to 35 ohm. Wzmacniacz napięciowy poradzi sobie z tym bardzo ładnie, lampowy totalnie już nie.




Z innej kwesti:
Widoczne są dwie górki rezonansowe pierwsza na około 32Hz i ma mniejszą wartość w szczycie i druga ta wyższa gdzieś na 75Hz. Obudowa jest typu bass-reflex. Zastanawia mnie natomiast od czego zależą te wartości impedancji i czasami widziałem, że te górki mają zbliżone impedancje w szczycie a czasami jedna jest większa lub mniejsza od drugiej. Zapewne materiał do tłumienia kolumny tu będzie grał rolę?

1) To wszystko zależy od schematu takiego wzmacniacza i rodzaju zastosowanych zabezpieczeń. Inaczej zachowa się stary wzmacniacz firmy Pioneer wykonany w klasie AB z podstawowymi zabezpieczeniami zapobiegającymi zwarciom i pojawieniu się składowej stałej na wyjściu a inaczej zachowa się nowoczesny moduł firmy Hypex Electronics wykonany w klasie D, który jest pozabezpieczany na wszelkie możliwe sposoby.

2) Na tym wykresie moduł impedancji to linia dolna (podziałka po lewej stronie i wahania w zakresie od 3,5 do 9,0 omów w całym paśmie). Linia górna to kąt fazowy (podziałka po prawej stronie i wahania w zakresie od -30 do +15 stopni przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem na obciążeniu). Gdyby moduł impedancji wynosił w całym paśmie 35 omów zamiast nominalnych 4 omów, to wówczas na obciążeniu wydzieliłaby się prawie dziesięć razy mniejsza moc. Wynika to z prawa Ohma i z prawa Joule'a-Lenza:



3) Chodzi o strojenie rezonatora Helmholtza:

a) Górka lewa niższa od górki prawej = częstotliwość strojenia portu basrefleks (fb) jest niższa od częstotliwości rezonansu głośnika niskotonowego na wolnym powietrzu (fs).

b) Obydwie górki równe = częstotliwość strojenia portu basrefleks (fb) jest równa częstotliwości rezonansu głośnika niskotonowego na wolnym powietrzu (fs).

c) Górka lewa wyższa od górki prawej = częstotliwość strojenia portu basrefleks (fb) jest wyższa od częstotliwości rezonansu głośnika niskotonowego na wolnym powietrzu (fs).



Dawniej dobierano długość rury (lub kilku rur) w taki sposób aby na charakterystyce modułu impedancji w funkcji częstotliwości uzyskać dwie równe górki ale potem pojawiły się publikacje naukowe uwzględniające parametry Thiele'a-Smalla głośnika niskotonowego i okazało się, że nie jest to optymalne strojenie rezonatora Helmholtza.