De werking en constructie van een luidsprekerkast

De geluidskarakteristieken van een speaker worden bepaald door het formaat van de box, het materiaal, het type luidsprekers, het vulmateriaal en het ingebouwde scheidingsfilter. De luidsprekerbox vormt een essentieel onderdeel van de speaker. De belangrijkste functie is om akoestische kortsluiting van de ingebouwde luidsprekers te voorkomen en de verschillende frequenties goed weer te geven. Met het programma WinISD kan redelijk eenvoudig het formaat van de luidsprekerbox worden bepaald, alsmede het gewenste scheidingsfilter. Voor het ontwerpen van een scheidingsfilter is een aantal formules beschikbaar waarmee kan worden uitgerekend welk type spoelen en condensators nodig zijn.

Inhoud

• Een luidsprekerbox voorkomt akoestische kortsluiting
• Hoe groot moet de luidsprekerbox zijn?
• Het dempen van de speaker met vulmateriaal
• Wat is een scheidingsfilter en hoe werkt het?
• Wat bepaalt nu het aantal Watt van een luidspreker?
• Hoe zit het ook alweer met het aantal Ohm?
• Wat is het rendement van een speaker?
• Verbruikt een versterker minder stroom bij een lager volume?
• Wat zijn nu goede speakers?
• Zelf experimenteren
• Tot slot

Een luidsprekerbox voorkomt akoestische kortsluiting

Een luidspreker produceert via het trillen van de conus niet alleen geluid aan de voorkant, maar ook aan de achterkant, maar dan net een fractie later. Hierdoor ontstaat het zogenaamde faseverschil. Geluidsgolven die een tegengestelde richting opgaan heffen elkaar op en verstoren elkaar, dit heet akoestische kortsluiting. Om een zo goed mogelijk geluid te krijgen moet deze kortsluiting worden opgeheven. Door de luidsprekers op een brede plaat (dit is het klankscherm) te monteren wordt al een groot deel van de akoestische kortsluiting verminderd, de lucht moet immers een grotere weg afleggen om kortsluiting te kunnen veroorzaken. Maar om alle kortsluiting te voorkomen dient een oneindig groot klankscherm gemaakt te worden, oftewel een box die aan alle kanten luchtdicht is afgesloten. De hoeveelheid lucht in een afgesloten box blijft hetzelfde, het geluid van de luidspreker wordt nu niet meer afgeremd door ongewenste luchtstromingen. Het gevolg is dat het geluid duidelijker, voller en met meer volume wordt weergegeven.

De werking van een luidspreker

De conus is het gedeelte van een luidspreker, meestal van papier gemaakt, dat heen en weer gaat trillen en daardoor geluid zal veroorzaken. In de luidspreker zit een spoel en een magneet. Een spoel is niets anders dan een zeer lang stuk koperdraad dat om een spoel is gewikkeld. Stroom dat door een koperdraad loopt wekt een magnetisch veld op, en als dit koperdraad om een spoel wordt gewikkeld ontstaat een sterker magnetisch veld en tevens in een bepaalde richting. Zodra er stroom op de spoel van de luidspreker wordt gezet, zal het magnetische veld van de spoel interfereren met het magnetische veld van de magneet en ontstaat de bekende lorentzkracht die de conus van de speaker in beweging brengt. Bij een dynamo van een fiets of een microfoon gaat het precies andersom, er wordt een fysiek onderdeel in beweging gebracht, hierdoor verandert het magnetische veld ten opzichte van de spoel, en wordt in de spoel stroom opgewekt. De stroom die door een luidspreker gaat is dynamische wisselstroom.

Hoe groot moet de luidsprekerbox zijn?

Zoals vermeld is de functie van de box het voorkomen van akoestische kortsluiting, maar ook in een afgesloten box kan met name de basluidspreker (de woofer) nog last krijgen van demping door reflectie van lucht in de box. Door de box nu voldoende volume te geven kan de lucht een langere weg afleggen en zullen lagere frequenties beter gaan klinken. De grootte van de speaker wordt dus hoofdzakelijk bepaald door het volume dat de woofer nodig heeft. Een luidsprekerbox is geen klankkast, zoals sommigen denken, maar juist het tegenovergestelde. Bij een goede speaker mag alleen de conus van de luidspreker gaan trillen, voor de rest niets, dat is ook de reden dat goede speakers zwaar zijn. In het algemeen klinken de grote zuilspeakers beter dan de kleine boekenplankmodellen, ook of vooral juist op een laag geluidsniveau. Veelgebruikt materiaal voor goede luidsprekers is MDF (medium density fibreboard) of HDF (high density fibreboard), goedkopere varianten worden van spaanplaat gemaakt. Bij goede speakers is vaak de middentonen luidspreker (midwoofer) met een extra behuizing in de kast gescheiden van de woofer, dit kan bijvoorbeeld een cilinder van hout zijn die op de achterkant van de midwoofer is gemonteerd.

Specifieke afmetingen van de luidsprekerbox

Belangrijk om te realiseren is dat de afmetingen van een luidsprekerbox vooral worden bepaald door het volume dat de woofer nodig heeft, dit kan al snel 50 liter zijn. Het volume dat de midwoofer of tweeter nodig heeft is veel kleiner. Is het benodigde volume bekend (zie bijvoorbeeld de specificaties die de fabrikant van de luidspreker heeft meegeleverd) dan kan men gaan experimenten met de verhoudingen van de lengtematen. Er zijn twee verhoudingen die vaak een goed resultaat opleveren, namelijk 2,6 : 1,6 : 1 en 2,3 : 1,3 : 1 (hoogte x breedte x diepte). Als een speaker gebouwd wordt van 50 cm hoog, dan zou deze volgens deze verhoudingen 50 x 31 x 19 cm of 50 x 28 x 22 cm moeten worden. Deze luidsprekers zijn naar verhouding niet echt diep, voor een dieper basgeluid kan men met deze verhoudingen gaan experimenteren, zolang er maar op gelet wordt dat de verhoudingen van hoogte, breedte en diepte niet elkaars gelijke zijn, of onderling gedeeld kunnen worden. Een luidsprekerbox met inwendige afmetingen van 40 x 20 x 10 cm moet dan ook vermeden worden, om resonanties te voorkomen. Overigens, als met een extra behuizing voor de midwoofer wordt gewerkt dan dient ook hierbij het meest geschikte volume te worden gebruikt, en uiteraard moet dit volume op de hoofdbehuizing in mindering worden gebracht.

Waarom zijn modernere speakers zo diep?

Modernere speakers zijn vaak dieper dan breed, dit komt doordat fabrikanten graag kleine speakers willen bouwen, veel mensen geven namelijk de voorkeur aan klein ogende speakers. Probleem dat zich dan voordoet is dat de inhoud afneemt naarmate de breedte en hoogte kleiner worden, en voldoende inhoud is juist nodig voor de woofer. Vandaar dat de luidsprekerboxen extra diep worden gemaakt om toch aan het benodigde volume te komen. Resultaat: de moderne smalle en diepe speaker. Om speakers nog kleiner te kunnen maken en toch voldoende basgeluid te laten produceren wordt vaak gewerkt met basreflexpoorten aan de voor- of achterkant.

Afmetingen bepalen met WinISD

Er bestaat een programma dat de hoeveelheid liters van de luidsprekerbox kan berekenen aan de hand van de specificaties van de woofer, dit programma heet WinISD. WinISD bevat een grote database met luidsprekers, per type laat WinISD zien hoe groot het volume van de box moet worden. Via de “Box shape editor” kan men zien welke afmetingen de box moet krijgen, en uiteraard kan men ook zelf gaan experimenteren door de afmetingen te wijzigen. Ook kan de dikte van het plaatmateriaal worden ingevoerd, het volume van de box wordt immers door de binnenkant bepaald. Wanneer de gebruikte woofer niet in de database van WinISD staat, zal zelf in de specificaties van de luidspreker gezocht moeten worden naar de zogeheten Thiele Small parameters (afgekort TS parameters). Het voert te ver om hier nu dieper op in te gaan, het betreft in elk geval een reeks aan ingewikkelde gemeten karakteristieken en eigenschappen, op basis van deze gegevens kan WinISD de meest geschikte afmetingen en volume van de luidsprekerbox bepalen. Indien niet alle parameters bekend zijn volstaat het om nul in te vullen.

Het dempen van de speaker met vulmateriaal

Het vullen van een speaker heeft drie functies. Allereerst moeten resonanties in de kast worden voorkomen, ten tweede moet de weg dat geluid in de box aflegt verder worden vergroot (of dit ook werkt, daar zijn de meningen over verdeeld), en als laatste heeft vulmateriaal de eigenschap om warmte van met name de woofer op te nemen, hetgeen oververhitting doet afnemen. Demping geschiedt door op de kastwanden noppenschuim (pritex) te bevestigen of dik vilt (dit kan ook BAF zijn). Een stuk wollen vloertapijt zou ook prima geschikt kunnen zijn. Het resterende deel van de luidsprekerbox kan worden gevuld met materiaal als BAF, wol, MDM-3 (acoustilux) of longhair wol. Materiaal kan zowel met lijm als door stevig in te klemmen worden bevestigd.

Wat is een scheidingsfilter en hoe werkt het?

Als de luidsprekers in de speakers zonder een scheidingsfilter aangestuurd zouden worden, dan worden zowel de tweeter als de woofer belast met alle frequenties en met hetzelfde vermogen. Met name de tweeter wordt dan in korte tijd opgeblazen. Een elektronisch scheidingsfilter is dan ook nodig om frequenties te scheiden en om de luidsprekers te beschermen tegen overbelasting. De scheiding in frequenties heet de crossover frequentie, deze crossover frequentie staat vaak op de achterkant van de speaker vermeld.

Hoe ziet een scheidingsfilter eruit?

Het filter dat hier besproken wordt betreft een passief filter, er bestaan daarnaast ook actieve filters. Een scheidingsfilter bestaat uit printplaat met daarop weerstanden, spoelen en condensators gesoldeerd. Een spoel (symbool L) verzwakt alle tonen naarmate de frequenties hoger worden en is dus geschikt als filter voor de woofer. De weerstand van de spoel neemt toe bij hogere frequenties. Een condensator (symbool C) verzwakt alle tonen naarmate de frequenties lager worden, daarom is deze geschikt als filter voor de tweeter. De weerstand neemt toe bij lagere frequenties. Omdat het vermogen dat door de versterker wordt geleverd voor de tweeter meestal te hoog is, wordt voor de tweeter vaak een extra weerstand geplaatst. Een filter met enkel een spoel en een condensator heet een eerste order filter. Bij dit type filter neemt bij de woofer vanaf de scheidingsfrequentie het volume met 6 dB af indien een octaaf verder wordt gerekend. Stel, de scheidingsfrequentie is 5000 Hz dan is bij een octaaf hoger de frequentie 10000 Hz, en is de geluidssterkte bij 10000 Hz 6 dB lager. Overigens is bij de woofer de geluidssterkte onder die 5000 Hz overal nagenoeg gelijk. Bij de tweeter zal tot aan de scheidingsfrequentie van 5000 Hz de geluidssterkte met 6dB per octaaf toenemen. Bij 2500 Hz (een octaaf lager dan 5000 Hz) is de geluidssterkte dan 6dB lager. Het volume boven de 5000 Hz zal bij de tweeter nagenoeg gelijk blijven. Bij een eerste order filter zijn de tweeter en woofer parallel geschakeld, waarbij de condensator en de spoel in serie staan geschakeld met respectievelijk de tweeter en de woofer.

De opvolgers van het eerste order filter zijn de tweede en de derde order filters. Er worden dan extra spoelen en condensators in het circuit opgenomen. Bij een tweede order filter is een extra spoel en condensator parallel geschakeld, en bij dit type filter is het verloop vanaf de crossover 12 dB per octaaf (18dB bij een derde order filter). Bij elektronicazaken kunnen vaak kant en klare filters worden gekocht, op de specificaties staat aangegeven waar de scheidingsfrequenties liggen. Het ontwerpen van een goed filter is een ingewikkeld karwei en een specialiteit op zich. In de praktijk is het verloop van de frequenties van een luidspreker zelden gelijkmatig, soms moet in bepaalde frequentiegebieden een extra verval of juist een bult worden gerealiseerd door extra spoelen of condensators in het filter te solderen, en moeten tevens resonantiefrequenties eruit worden gefilterd.

Formules

De formule behorend bij een condensator luidt:

• Z = 1/(2∙π∙f∙C)

Waarbij Z de weerstand is in Ohm, π is Pi, f de frequentie in Hz en C de capaciteit in Farad. De formule behorend bij een spoel luidt:

• Z= 2∙ π ∙f∙L

Waarbij Z de weerstand is in Ohm, f de frequentie in Hz en L de zelfinductie in Henry.
In deze formules kan heel goed gezien worden dat bij een toename van de frequenties de weerstand bij de condensator (tweeter) afneemt en dus de geluidssterkte toeneemt. Bij een toename van de frequenties in de formule van de spoel (woofer) is te zien dat de weerstand toeneemt en dus de geluidsterkte afneemt.

Filterwaarden bepalen met WinISD

Ook in WinISD kan het een en ander worden uitgerekend. In het programma zit een calculator waarmee voor een passief filter de waarden van de condensator en spoel worden berekend. Bij Z vul je het aantal Ohm in van de luidsprekers, en bij frequencies de gewenste crossover frequenties (bass cutoff en tweeter cutoff). Bij components worden dan de waarden berekend en weet je welke onderdelen je moet hebben. Als de waarde van 5000 Hz uit het rekenvoorbeeld in WinISD wordt gebruikt dan komt er inderdaad heel netjes een waarde van 3,98 µF uitrollen. Je kan met verschillende soorten spoelen en condensators gaan experimenteren en zo de geluidskarakteristieken van de speaker wijzigen, doffe speakers kunnen zo een stuk frisser gaan klinken!

Wat bepaalt nu het aantal Watt van een luidspreker?

Een luidspreker heeft geen eigen vermogen, wel een maximale belastbaarheid. Het vermogen wordt door de versterker geleverd. Het belastbare vermogen van een speaker wordt bepaald door het vermogen dat de speaker langdurig aankan en kortstondig aankan zonder dat het geluid vervormt en zonder dat de speaker opgeblazen wordt. Meestal staan er op de speaker twee typen vermogens, de nominale belasting en de piekbelasting.
Een luidspreker mag gedurende korte tijd flink belast worden (piekbelasting), maar niet continue, dit zal leiden tot oververhitting van de speaker en beschadiging. Muziek en geluid dat met veel compressie is behandeld zal eerder tot oververhitting van de speakers leiden dan dynamische klassieke muziek met veel rustige passages. Er mag rustig een versterker van meer vermogen worden aangesloten dan de nominale belastbaarheid van de speaker, zolang de speakers maar niet langdurig op hoog volume worden belast is er weinig aan de hand. Een versterker met te weinig vermogen aansluiten op speakers met een hoge belastbaarheid kan juist eerder voor problemen zorgen; de versterker gaat vervormen en zal teveel vermogen gaan leveren bij de hogere frequenties. Gevolg is dat de tweeter ineens veel voor hun kiezen krijgen en kunnen beschadigen. Dus een 100 Watt versterker op een 50 Watt luidspreker kan, andersom kan ook, maar een versterker van 2 x 10 Watt aansluiten op speakers van 200 Watt en het volume opendraaien is vragen om problemen.

Hoe zit het ook alweer met het aantal Ohm?

Een audio versterker moet twee keer zoveel vermogen leveren als 4 Ohm speakers in plaats van 8 Ohm worden gekozen.
Bij een gelijke spanning U zal twee keer zo veel stroom I geleverd moeten worden om hetzelfde vermogen richting de speakers te sturen (en de speakers dezelfde geluidssterkte te laten produceren) indien de weerstand R twee keer zo klein is. En hier schuilt wél een gevaar, indien de weerstand van de speakers te laag is kun je de versterker opblazen. Let er dus altijd goed op dat de weerstand van de speakers binnen de toegestane specificaties van de audioversterker vallen.

Wat is het rendement van een speaker?

Het rendement SPL (sound pressure level) van een speaker wordt uitgedrukt in decibel per 1 Watt aangeleverd vermogen, op 1 meter afstand. Hoe hoger het rendement hoe lager het aangeleverde vermogen hoeft te zijn om een zelfde geluidsniveau, of beter gezegd, eenzelfde geluidsdruk te krijgen, dit kost dus minder stroom. Voorkeur is dan ook om speakers te kiezen met een hoog rendement.

Wanneer het rendement 3 decibel omhoog gaat, hoeft twee keer zo weinig Watt te worden geleverd om de speakers even hard te laten klinken. Een stijging van 10 dB ervaren we als twee keer zo luid, dit komt overeen met ongeveer 10 keer zoveel benodigd vermogen. De huidige luidsprekers hebben doorgaans een rendement van 90 decibel. Dit betekent dat slechts 10 Watt hoeft te worden geleverd om de speakers een volume van 100 dB te laten produceren (10 keer het vermogen van 1 Watt is 10 Watt), en 100 Watt voor 110 dB (dit is al extreem hard). Wanneer speakers met een SPL van 87 dB worden aangesloten moet om 100 dB aan volume te bereiken een vermogen van 20 Watt worden geleverd door de versterker. Overigens is elke speaker ook begrensd door een maximale SPL.

In onze huiskamers wordt doorgaans een vermogen naar de luidsprekers gestuurd van slechts enkele Watts. Het vermogen van zowel de versterker als de luidsprekers wordt zelden helemaal benut. Nu is je waarschijnlijk ook duidelijk waarom een versterker van 100 Watt rustig op een speaker van 50 Watt kan worden aangesloten, van die 5 tot 10 Watt die de speakers krijgen aangestuurd krijgen ze het niet echt warm.

Verbruikt een versterker minder stroom bij een lager volume?

Het antwoord is eigenlijk al gegeven bij het onderwerp over rendement, en luidt dus ja. Een versterker zal altijd stroom verbruiken, maar bij een laag volume wordt een lager aantal Watts verbruikt. Een versterker van twee keer 100 Watt verbruikt slechts enkele Watts bij een normaal huiskamer volume. Volgens de formule P = U x I blijkt dan dat bij dezelfde spanning minder stroom wordt verbruikt. Mocht je om stroom te willen besparen jouw versterker van 300 Watt gaan vervangen door zo’n microset met speakers ter grootte van een dobbelsteen van twee keer 2 Watt, niet doen! Dit is nergens voor nodig. Uiteraard zal zo’n microset altijd minder stroom verbruiken dan die zwaardere hifi versterker, maar jouw versterker verbruikt in elk geval geen 300 Watt.

Wat zijn nu goede speakers?

De speakers zijn het belangrijkste onderdeel van de gehele hifi set. Het mooiste zijn speakers met een volle warme bas, een fris klinkende treble en een algeheel kleurrijk klankbeeld dat open en expressief klinkt. Dit alles met een goed gescheiden stereobeeld en een geluid waarin alle tonen goed van elkaar te onderscheiden zijn. Ook een grote dynamiek is belangrijk, echt goede speakers vertonen ook op een laag volume een goed duidelijk warm en helder geluid. Het zijn juist de goedkopere speakers waarbij eerst het volume opengedraaid moet worden, voordat iets van een volle bastoon te horen is, en juist de zware zuilspeakers die prima presteren op een laag volume. Waar zeker ook op gelet moet worden is dat je als luisteraar niet snel last krijgt van luistermoeheid, het is daarom zaak om speakers langdurig uit te proberen.

Heb je speakers gekocht die wat rauw, ingetogen klinken en een schelle treble hebben met een houterige bas? Stuur ze dan maar terug naar de winkel, met speakers is het alles of niets, ben je er nu niet tevreden over dan ben je dat over een jaar ook niet. Of speakers eerst nog een paar weken ingespeeld moeten worden, daar zijn de meningen over verdeeld, maar vaak kun je meteen aan een speaker wel horen of het geluid jou bevalt of niet. Over de prijs van echt goede speakers kun je altijd discussiëren, maar 400 euro voor een set zuilspeakers en 250 euro voor boekenplankmodellen is toch wel de instapprijs. Bedenk dat goede speakers vele jaren meegaan, dus voor slechts 50 euro per jaar zit je wel mooi eersteklas. Het opknappen van versleten tweedehands modellen kan ook een goede manier zijn om voor weinig geld toch zeer goede speakers te kopen.

Zelf experimenteren

Het is natuurlijk erg leuk om zelf te gaan experimenteren en een luidspreker te gaan bouwen. Er zijn vele forums waar ervaren bouwers hun kennis delen. Zolang je maar geen luidspreker bouwt met een te lage weerstand waarmee je je versterker opblaast is er weinig aan de hand. In de handel zijn kant en klare filters te koop en losse luidsprekers, en ook complete inbouwsets. Op de specificaties van het filter en de luidspreker staan de scheidingsfrequenties, vermogen en de weerstand aangegeven. Wel moet je handig zijn met solderen, het lijmen van MDF, en het uitzagen van de gaten. Met een weerstandsmeter kan het aantal ohm van de speaker worden gemeten, een speaker van 8 Ohm wisselspanning heeft ongeveer 6 Ohm aan gelijkspanning. Zo kan worden gecontroleerd of de zelf gebouwde speaker op de versterker kan worden aangesloten. Vergeet nooit om de juiste polen aan de versterker aan te sluiten!

Tot slot

De echte kennis van luidsprekers, luidsprekerboxen en speakers is iets voor de echte vakmensen. Zelfs hobbyisten die complete speakers zelf weten te bouwen en eigenhandig filters weten te ontwerpen, en op basis van alle Thiele Small parameters de juiste afmetingen van de kast hebben bepaald, mogen toch wel tot deze vakmensen worden gerekend. De wereld van luidsprekers wordt alleen maar complexer naarmate je er steeds dieper induikt. Dat is ook de reden waarom goede speakers betrekkelijk duur zijn, het zijn bijna muziekinstrumenten. Een ding is zeker, als je je echt verdiept in de wereld van speakers zul je elke luidspreker die je voortaan ergens aantreft met veel meer waardering en ook bewondering bekijken.