Basreflexpijp resonantie, en wat daar aan te doen is

[timpert]

Bij het ontwerpen van mijn laatste luidspreker, Kyra, kwam ik uit op een poortlengte van zo'n 50 cm. Zo'n poort geeft, behalve de gewenste resonantie van de box bij de boxfrequentie, ook nog allerlei andere resonanties die ontstaan doordat de lucht in de pijp zelf gaat resoneren. Dit plaatje geeft de modi weer die optreden: (bron)

N=1 komt overeen met een halve golflengte die in de pijp valt, bij een pijp van 50 cm bedraagt de grondtoon zo'n 340 Hz. In de praktijk is die wat lager, omdat de pijp akoestisch een beetje langer is dan fysiek. Om te kijken hoe sterk dit fenomeen in de praktijk is heb ik mijn Fuglybox (tm) een mooi gat in de zijkant gegeven waar een stuk rioolpijp van 110 mm precies strak in past. Ik had nog een restje pijp liggen van 45 cm, en samen met een boxvolume van 46 liter levert dat een afstemfrequentie op van rond 30 Hz. De box is niet optimaal afgestemd voor de gebruikte woofer (Sica 12 SR 3 PL), maar werkt perfect om de resonanties te illustreren. De box is nu nog mooier geworden:

Als ik met de microfoon direct bij het open einde van de pijp meet, zou je voor frequenties boven de boxfrequentie een dalende geluidsdruk bij stijgende frequentie verwachten, want de box is immers een laagdoorlaatfilter. Maar door bovengenoemde resonanties is dat niet bepaald het geval. Dit is wat ik meet:

Er gebeurt van alles boven 100 Hz, maar de eerste resonantie bij 329 Hz is ernstig, en slingert op tot -6dB t.o.v. de gewenste piek bij 30 Hz. Dit is niet acceptabel en zal, zeker bij een poort in de voorkant van de speaker, goed te horen zijn. De verdere resonanties bij 654 Hz en bij 1005 Hz zijn ook duidelijk te herkennen. Kijken we naar het bovenste plaatje, dan zien we dat de oneven modi (n=1, 3, 5,...) allemaal een drukmaximum hebben precies in het midden van de pijp, waar de snelheid juist minimaal is. Met wat goed gemikte gaatjes kan ik ervoor zorgen dat dat drukmaximum niet meer optreedt. Voor een eerste test heb ik 8 gaatjes van 14 mm rond de omtrek geboord van de pijp, precies halverwege de lengte van de pijp. Zo ziet dat er uit:

Als mijn theorie klopt, dan zouden de resonanties met een drukmaximum in het midden van de pijp onderdrukt moeten worden. Op zijn minst dus die bij 329 Hz, en ook die bij 1005 Hz zou verzwakt moeten zijn.

De theorie klopt, maar ook de gewenste resonantie is met zo'n 8 dB gedempt, dus een succes wil ik dit niet noemen. Kennelijk lekt er ook bij 30 Hz aardig wat lucht door de gaten en dat viel ook wel te verwachten. Maar daar is wellicht wat aan te doen. Als ik losjes wat polyesterwol om de gaatjes heen sla krijg ik van de gewenste resonantie zo'n 3 dB terug, terwijl de ongewenste resonantie nog steeds netjes onderdrukt blijft:

Dus door de stromingsweerstand van de gaatjes op te voeren, ga ik de goede kant op! Voor de volgende stap heb ik het polyesterwol tot een strakke streng opgedraaid en om de pijp gespannen, zodanig dat de gaten precies worden afgedekt. Zo ziet dat er uit:

En dit is de respons aan het eind van de pijp:

Weer een dB erbij voor de gewenste resonantie, terwijl de onderdrukking van 329 Hz er niet onder lijdt. Het wordt steeds beter! Helaas dekte mijn opgerolde streng de gaten in de pijpwand niet volledig af, maar met wat plakband was dat makkelijk opgelost. De streng heb ik zo strak gespannen als ik dacht dat het wol zou houden, en vastgezet met een tie-rip.

En dan nu de respons:

Weer een stukje beter, ik ben nu nog maar zo'n 2 dB kwijt (waar ik begon met een verlies van 8 dB) van de boxresonantie, en ik denk dat ik er nog wel wat verbetering te halen is als ik de stromingsweerstand van het dempingsmateriaal nog wat verder verhoog. Maar er is nog een resonantie bij 654 Hz, en die is vooralsnog de dans ontsprongen. Dus ik heb een tweede ring gaten geboord, op een kwart van de lengte van de pijp:

Die gaten heb ik vervolgens ook omwikkeld met demping, maar dat gaf niet het resultaat waarop ik hoopte:

. De 654 Hz resonantie is wel wat opgeschoven maar niet onderdrukt, en ik ben ook weer wat output kwijt geraakt. Verder onderzoek vereist dus.

Conclusie(voorlopig)

Het is vrij eenvoudig om de eerste en derde resonantie van de reflexpijp te onderdrukken door een goed gekozen demping halverwege de pijp. De prijs die je ervoor betaalt is een iets gereduceerde Q van de boxresonantie, maar dat is voor een tweeweg een prijs die ik graag betaal om de respons schoner te maken. Waarschijnlijk is er nog meer verbetering haalbaar.

[OWC]

Grappig en leuk onderzoekje.

Dit stond bij mij al heel lang op het lijstje.
Om even wat meer informatie te geven, gaat het hier om zogenaamde akoestische filters.
Zie; https://en.wikibooks.org/wiki/Acoustics ... ementation.
Er zijn overigens genoeg akoestische boeken te vinden die hier wat dieper op ingaan (incl de nodige formules).
Het nadeel is wel, zoals je al aangaf, dat berekeningen vaak een zogenaamde eindcorrectie nodig hebben.
Dus uiteindelijk best nog wat trial en error.

In dit geval zou je dus ook voor een helmholtz kunnen gaan.
Dat was mijn allereerste idee.
Dat lijkt heel erg op wat je nu hebt gedaan, maar je maakt dan middels een andere pijp nog een kamertje rond de gaten.
Dit is redelijk hetzelfde (in de basis) wat er in uitlaten van auto's zit. (absorptie muffler)
Theoretisch kan dit gezien worden als een band-stop filter, (Zie eerdere link)

Echter denk ik dat een akoestisch lowpass filter misschien nog wel makkelijker te bewerkstelligen is.
(Zie link hierboven).

Bochten ed hebben ook hier invloed op, dus daar valt praktisch zeker iet op te verzinnen!

Je bevinden dat de output voor lagere frequenties (het zogenaamde regeltechnische gebied, of mass-veer-demper gebied) lager wordt was te verwachten. Er treden namelijk verliezen op.
Ook ontstaat er wat meer turbulentie rond deze gaatjes, zeker bij hogere volumes (= air flow of debiet).
Bij echte grote SPL's is het dan zaak om die gaatjes goed af te ronden (uitdaging voor de binnenkant)

Met een helmholtz principe zou dat in principe beter uit moeten pakken.

In theorie heb je nu een HP filter, misschien leuk om te experimenten, maar je zult zien wanneer je de gaatjes langer maakt (met pijpjes), je niks meer overhoud van de output van de poort zelf.

Ook kan dit systeem zoals je het nu hebt, praktisch NIET in de kast worden toegepast, omdat dan de poort naar het volume lekt.

[OWC]

Trouwens, heb je dempingsmateriaal in de kast zelf aangebracht?

In de kast zelf treden namelijk ook staandegolven op en die lekken zeker door naar de poort.
Als die toevallig redelijk dicht bij elkaar liggen, dan maak je een probleem ook veel groter

[Mtraxx]

Vroeger had je een programma (onder dos nog? dacht ik) (stone age windows) BoxDraw waarmee je makkelijk een tweede kamer met poortje mee kon doorrekenen.
Bekend Intertechniek ceedeetje stond deze software ook op met nog een aantal andere programma's van die tijd.

[Henkjan]

mooi onderzoek Jurgen

[OWC]

Je zou dit evt misschien in Hornresp kunnen doen denk ik, en sowieso met Akabak.
Of als je toegang hebt tot dingen als Comsol oid.

Probleem is wel dat de praktijk heel lastig te simuleren is, omdat hier zo ongelooflijk niet-lineaire fysica een rol speelt.
Al helemaal omdat de materialen en dus de akoestische koppeling ver van ideaal zijn.
Dus bij de tijd dat je een mooi betrouwbaar model hebt, heb je ook al veel meer experimenten kunnen doen.
(die sowieso nodig waren om bepaalde parameters te bepalen)

[Pjotr]

Leuk en illustratief die poging tot demping en metingen! Probleem heb je alleen bij een 2-weg waar een overlap is van de pijpresonantie en de midrange. Bij een 3 weg cross je meestal al beneden de poortresonantie. Wat Q van de poort ook behoorlijk verlaagd is een flare (afronding). Met een flarediameter van 2x de poortdiameter. Het is ook een gegeven dat de kast vullen met dempingwatten nauwelijks het laag dempt maar wel midden en hoog.

[OWC]

Even een eerste probeersel in Hornresp.

Tegenwoordig kun je ook mooi de bijdrage van de lijn of de poort weergeven.
Helaas kun je maar zoveel segmenten toevoegen, hoewel daar geloof ik ook een oplossing voor is?
Moet wee reven in de handleiding duiken, de laatste jaren is er zoveel toegevoegd.

We zien in elk geval duidelijk de poort resonantie van een ML-TL. Welk natuurlijk heel erg op een normale BR lijkt.

Helaas was het niet mogelijk om daar nog andere elementen toe te voegen, dus dan ook maar een QW-TL
En als laatste een met een geoptimaliseerde poort die als een akoestische LP werkt.

Wat het lastig maakt is dat het een hoop getweak is.
Met wat meer tijd kun je hier een beter resultaat uit halen natuurlijk.

In het laatste geval kun je bijvoorbeeld zien dat de lijn/poort niet zo heel veel meer doet.

In de praktijk zul je ook moeten testen hoe goed dit werkt met hogere SPL's, geen van dit soort programma's simuleert dat soort gedrag namelijk.

Je kunt ook het beste ook even de elektrische impedantie meten, die geeft namelijk veel beter de verliezen en dingen als Q-factor weer, alsmede de tuning frequentie!!

[timpert]

Mijn Fuglybox (tm) is van binnen gedempt met stukken schuim die uit een oud drumhok komen. Ik meen dat het melamineschuim is, maar dat weet ik niet zeker. Omdat het snijresten zijn, die ik er een beetje in heb gepropt zodat ze klem blijven zitten, is de demping vast nog voor verbetering vatbaar. Morgen ga ik eens proberen of ik de stromingsweerstand die over de gaten zit met andere materialen nog wat kan vergroten, en of dat het verwachte effect heeft. Het polyesterwol dat ik vandaag heb gebruikt was domweg wat binnen graaiafstand lag. Voor een eerste probeersel vind ik deze resultaten al heel aardig.

Ik heb een AKABAK licentie, alleen heb ik nog niet genoeg tijd genomen om er mee bekend te raken. Het programma heeft nogal een leercurve heb ik gemerkt. Maar dat is te meer een reden om er nog eens de tanden in te zetten.

Ik denk overigens dat de poort met gaten en weerstandsmateriaal wel degelijk binnen in de kast kan worden ondergebracht. De onderdrukking van de resonantie werkt namelijk door de randvoorwaarde voor resonantie in de knoop halverwege (dus bij het drukmaximum) weg te nemen door de druk via een dissipatief medium (de stromingsweerstand) te laten weglekken. In de knoop heerst een hoge druk bij resonantie, veel hoger dan die in de kast heerst bij die frequentie. De mismatch in akoestische impedantie tussen kast en midden van de pijp, met daar tussen nog de stromingsweerstand zorgen er (denk ik) wel voor dat de lek heel beperkt blijft. Maar dat is voer voor een volgende ronde proefjes...

[Pjotr]

Ja, de crux is natuurlijk dat het akoestisch "dicht" moet zijn op de BR resonantie maar dissipatief op de te onderdrukken resonantie.

[Wieger61]

Leuk experiment! Met metingen kun je het effect van maatregelen mooi vergelijken. Ik zou geen gaten boren om ze weer dicht te stoppen met wol, maar gewoon een beetje wol losjes over de pijp verdelen. Of een dun gaasje plaatsen aan het begin, of einde, een panty. Of in de Stereophile luidsprekerbesprekingen naar de poortmeting kijken en via de fabrikanteninformatie proberen te achterhalen wat de toppers aan resonanties hebben gedaan en de loosers hebben nagelaten. Ook een vorm van meten.

[Pjotr]

Ja, dat klopt wel. Voor de BR werking wil je een (lucht)massa die zo vrij mogelijk heen en weer kan bewegen. Zou je iets in de poort gaan willen stoppen dan moet dat zo min mogelijk stromingsweerstand hebben op de BR resonantie maar zo veel mogelijk dissipatief zijn op de pijpresonanties. Dat is best een lastige.

[markbakk]

Ik denk overigens dat de poort met gaten en weerstandsmateriaal wel degelijk binnen in de kast kan worden ondergebracht. De onderdrukking van de resonantie werkt namelijk door de randvoorwaarde voor resonantie in de knoop halverwege (dus bij het drukmaximum) weg te nemen door de druk via een dissipatief medium (de stromingsweerstand) te laten weglekken. In de knoop heerst een hoge druk bij resonantie, veel hoger dan die in de kast heerst bij die frequentie. De mismatch in akoestische impedantie tussen kast en midden van de pijp, met daar tussen nog de stromingsweerstand zorgen er (denk ik) wel voor dat de lek heel beperkt blijft. Maar dat is voer voor een volgende ronde proefjes...

Ik denk dat je gelijk hebt. Zeker wanneer je de stromingsweerstand van de gaatjes wat verhoogt (ondertapijt?) lijkt mij het lek dat de kast ‘ziet’ te verwaarlozen.
Ik moet bij deze kwestie altijd denken aan het pijpje in de LS50 van KEF trouwens…

[timpert]

Ik heb even gezocht, en het pijpje van de LS50 blijkt in het midden een stuk te hebben dat van schuim met dichte cellen is gemaakt. Dat lijkt op het zelfde idee te zijn gebaseerd, maar dan in een professioneel jasje. De poort heeft ook een aanzienlijke "flare" om de sprong in akoestische impedantie bij de overgang naar buiten minder scherp te maken, en zo de resonanties wat milder en breder te maken.

De proefjes van gisteren waren niet meer dan een eerste probeersel, en ik verwacht dat er nog veel te verfijnen valt. Vandaag ben ik er niet meer aan toe gekomen, maar binnenkort ga ik weer verder. Het toevoegen van flares staat ook op het programma.

[Pjotr]

Volgende experiment: De hele poort van dicht schuim?

Ter info:

Maximizing Performance from Loudspeaker Ports.pdf

(850.94 KiB) 44 keer gedownload

Een studie naar de effectenn van flaring van de poort

[OWC]

Ik heb even gezocht, en het pijpje van de LS50 blijkt in het midden een stuk te hebben dat van schuim met dichte cellen is gemaakt. Dat lijkt op het zelfde idee te zijn gebaseerd, maar dan in een professioneel jasje. De poort heeft ook een aanzienlijke "flare" om de sprong in akoestische impedantie bij de overgang naar buiten minder scherp te maken, en zo de resonanties wat milder en breder te maken.

De proefjes van gisteren waren niet meer dan een eerste probeersel, en ik verwacht dat er nog veel te verfijnen valt. Vandaag ben ik er niet meer aan toe gekomen, maar binnenkort ga ik weer verder. Het toevoegen van flares staat ook op het programma.

Doel je dan op de flare van het begin en einde van de buis?
Dat heeft niks met een impedantie prong te maken.
In dit geval gaat het namelijk om het debiet door de buis heen, wat snelheid is (velocity).
Harde overgangen zorgen dan altijd voor meer flow resistance en daarnaast ook turbulentie.
Dat staat los van akoestiek, en is in principe iets puur thermodynamisch.


Het is trouwens wel enorm belangrijk de poort aan beide kanten symmetrische te houden.
Dus met bv dezelfde flare.
Anders krijgt de speaker een asymmetrische belasting, wat niet-lineaire vervorming als gevolg heeft.

Zie Klippel, Loudspeaker Nonlinearities. Causes, Parameters, Symptoms. Pagina 13.
https://www.klippel.de/fileadmin/_migra ... oms_01.pdf

De enorm flares zoals in de bekende paper hierboven zijn dan ook een compromis.
Hoe de port zich gedraagt wordt minder voorspelbaar, maar je krijgt er wel minder turbulentie (= bijgeluiden) voor terug.

[Pjotr]

Het gaat in dat paper wel om hoog vermogen PA speakers. Dat is toch wat anders dan voor de huiskamer. Maar het geeft i.i.g. wat meer inzicht.

[timpert]

Doel je dan op de flare van het begin en einde van de buis?
Dat heeft niks met een impedantie prong te maken.
In dit geval gaat het namelijk om het debiet door de buis heen, wat snelheid is (velocity).
Harde overgangen zorgen dan altijd voor meer flow resistance en daarnaast ook turbulentie.
Dat staat los van akoestiek, en is in principe iets puur thermodynamisch.

Bij de boxresonantie is het inderdaad puur een stromingstechnisch iets, maar bij de pijpresonanties heeft het zeker ook (gunstige) akoestische gevolgen vanwege de minder abrupte impedantiestap. De flare werkt zowel stromingstechnisch als akoestisch in je voordeel. Klipsch gebruikt bijvoorbeeld een tractrix profiel voor de poorten, ik denk dat daarmee ook een mate van onderdrukking van staande golven in de poort mee wordt bereikt.

Het is trouwens wel enorm belangrijk de poort aan beide kanten symmetrische te houden.
Dus met bv dezelfde flare.
Anders krijgt de speaker een asymmetrische belasting, wat niet-lineaire vervorming als gevolg heeft.

Zie Klippel, Loudspeaker Nonlinearities. Causes, Parameters, Symptoms. Pagina 13.
https://www.klippel.de/fileadmin/_migra ... oms_01.pdf

De enorm flares zoals in de bekende paper hierboven zijn dan ook een compromis.
Hoe de port zich gedraagt wordt minder voorspelbaar, maar je krijgt er wel minder turbulentie (= bijgeluiden) voor terug.

Aan het artikel dat Pjotr heeft bijgesloten is te zien dat de exacte vorm van de flare ertoe doet, een grote radius werkt minder goed dan een "slow taper". De bovenfrees kan daarvoor dus in de koffer blijven. Ik denk dat de tractrix van Klipsch of een exponentieel profiel zowel stromingstechnisch als voor het onderdrukken van staande golven goed werken. Tijd dus om mijn 3D printer weer in ere te herstellen. Maar eerst de demping van de huidige pijp verder uitzoeken.

Het gaat in dat paper wel om hoog vermogen PA speakers. Dat is toch wat anders dan voor de huiskamer. Maar het geeft i.i.g. wat meer inzicht.

Ik denk dat het niet heel veel anders is, in de huiskamer wordt ook verlangd dat zo veel mogelijk herrie uit het kleinst mogelijke kastje komt.

[Pjotr]

.........
Tijd dus om mijn 3D printer weer in ere te herstellen...

En dan gelijk de aerodynamische golfbalputjes meeprinten?

[OWC]

De bovenfrees kan daarvoor dus in de koffer blijven.

Ik ben het niet eens met deze conclusie.
Elke flare is beter dan geen flare.
In het verleden ook genoeg experimenten mee gedaan tijds mijn thermodynamica practicums.

Er zijn wel bepaalde flares beter dan andere flares, dat klopt.
De vraag is echter niet wat de "beste" flare is, maar een flare die goed genoeg is.

Maar goed, laten we het wel systematisch houden, het ging eerst om resonanties.
Een flare voeg je niet toe om resonanties tegen te gaan.
Uiteraard heeft het invloed, maar dat lijkt mij nogal evident.


De beste benadering lijkt mij sowieso eerst eens wat berekeningen te gaan doen aan een helmholz demper of eventueel een akoestisch low pass filter.
Lukraak gaatjes boren en hopen dat het goed komt lijkt me niet de juiste weg.

[OWC]

.........
Tijd dus om mijn 3D printer weer in ere te herstellen...

En dan gelijk de aerodynamische golfbalputjes meeprinten?

Daarvan heb ik nooit overtuigend bewijs gevonden dat het goed werkt.
Behalve de "wij van wc-eend papers".

Opruwen van oppervlakten is doorgaans niet bevorderlijk voor het debiet.

[wouter]

http://www.hifi-forum.de/viewthread-267-473.html#15

Heel interessant, alle opties met gaatjes etc waren o.a. door Philips al gedaan. Waar de één zegt dat je gladde ronden poorten moet gebruiken, rolt een ander heel overtuigd vilt o.i.d. in een poort. De ene poort is klein, de andere mega groot met flare. Absoluut nooit voor wordt bij een midwoofer vaak gesteld, terwijl zat top 2-weg luidsprekers hem voor hebben. Blijft gespreksstof

De link hierboven vond ik het leukste wat ik ooit tegenkwam mbt reductie van de poortresonantie.

[Pjotr]

Overigens is het ook niet zo erg als door de verlaging van de Q van de poort de woofer niet tot helemaal stilstand komt op de BR resonantie. Als het maar in het redelijke blijft. Het maakt het laag ook wat gemoedelijker en minder geprononceerd.

[OWC]

http://www.hifi-forum.de/viewthread-267-473.html#15

Heel interessant, alle opties met gaatjes etc waren o.a. door Philips al gedaan. Waar de één zegt dat je gladde ronden poorten moet gebruiken, rolt een ander heel overtuigd vilt o.i.d. in een poort. De ene poort is klein, de andere mega groot met flare. Absoluut nooit voor wordt bij een midwoofer vaak gesteld, terwijl zat top 2-weg luidsprekers hem voor hebben. Blijft gespreksstof

De link hierboven vond ik het leukste wat ik ooit tegenkwam mbt reductie van de poortresonantie.

Ik weet niet, maar de boeken van thermodynamica en stromingsleer zijn toch vrij eensgezind over dit soort dingen.

Ik kan maar slecht volgen wat er in dat knutselwerkje in dat linkje wordt gedaan.
De resonantie, of beter gezegd staandegolf vind zich in de lengterichting plaats alsmede de doorsnede.
Echter ligt de frequentie van de doorsnede natuurlijk veel hoger.
Dat gezegd hebbende, vecht je bij een 100mm pijp wel op twee fronten.
Er zit dan namelijk ook nog een staande golf rond de 1700Hz


De dimpels van een golfbal worden voor een heel ander doeleinde gebruikt.
Deze dimpels vormen kleine pockets met turbulentie.
De reden waarom dat wordt gedaan is om de low pressure zone achter de bal te verminderen.
Technisch gezien zou de boundary later effect kleiner kunnen worden, maar ik kan me niet voorstellen dat dit maar enig nut heeft met zulke lage air flows. Dat is typisch een wij van wc-eend verbetering. (daar heeft KEF er best veel van trouwens)

Meer kleine pijpjes gebruiken is geen goed idee doordat de boundary layer effect significant groter wordt.
Hierdoor neemt de weerstand aanzienlijk toe.
Dat dan absoluut gezien de resonantie lager wordt valt dan natuurlijk volledig te verwachten.
Relatief zul je er geen bal mee opschieten omdat alles meer weerstand krijgt.



Overigens, even een on-topic zijstapje.
Tegenwoordig zijn er mensen op onder ander ASR (die oa speakers testen) die niet helemaal begrijpen wat staande golven zijn en vooral wanneer deze destructieve interferentie veroorzaken.
Een poort resonantie kan zich namelijk uiten als een dip in de grafiek, zeker als de poort aan de voorkant zit.
Het is niet bepaald slim om dat dan te gaan boosten.
Bij destructieve interferentie schiet je daar geen bal mee op.
Het enige wat je ermee bereikt is dat bij EQ boosten je het system (speakers, versterker of preamp) kunt overloaden, of zelfs beschadigen/kapot maken.

[OWC]

@timpert

Dit doet me direct wel even aan iets denken.
Het gebruiken van 100-110mm poorten (ik weet even niet de wanddikte, dus ik ga maar uit van 100mm), is wel dubbel zo problematisch.
Zoals hierboven, met 100mm, zit er alsnog een resonantie op 1700Hz. (doorsnee van de buis)
Dat zou misschien NET boven je crossover punt liggen, maar niet heel erg veel.

Zeker als je enkel een soort van akoestisch notch filter gaat maken, kun je daar enkel de fundamentele frequentie in de lengte-richting mee aanpakken.
Het is dan denk ik makkelijker om twee buizen met een binnendiameter van ongeveer 7cm te nemen. diameter = 10 / sqrt(2)
Hierdoor neemt wel de flow resistance iets toe, maar schuift de resonantie op naar ongeveer 2400Hz.
Bij een 4e orde filter op laten we zeggen 1400Hz, ligt dat op ongeveer -19dB