Luidsprekers

De totale geluidskwaliteit van een systeem wordt voor het grootste deel veroorzaakt door de gebruikte luidsprekers. Ook zijn luidsprekers een onderdeel dat in verhouding het meest te verduren krijgt. Bezuinig dan ook niet op de luidsprekers.

Kan ik met te zware boxen een versterker opblazen?
Nee; dit is een grote misvatting. De versterker "ziet" namelijk niet de belastbaarheid van de box. Het enige dat de versterker "ziet" is de impedantie (weerstand bijv. 4 of 8 Ohm) van de box. Wel is van belang dat de impedantie van de box groter of gelijk is aan de minimaal aanbevolen impedantie die door de versterker fabrikant wordt opgegeven. Een box van bijvoorbeeld 4 Ohm kan overigens een zeer grillig impedantie verloop hebben met dalen van 2 Ohm en minder. Sommige versterkers kunnen hier problemen mee hebben!

Kunnen hogedruk boxen leeglopen?
Nee; hogedruk boxen bestaan namelijk niet. De eigenlijke benaming is Drukkamerbox. Dit heeft niets met de eventuele luchtdruk binnen in de box te maken, deze is in rust namelijk gelijk aan de luchtdruk buiten de box. Met Drukkamer wordt alleen bedoeld dat de OPGESLOTEN lucht binnen in de box als een veer voor de luidspreker fungeert. Drukkamerboxen bieden overigens (in principe) de beste geluidskwaliteit maar worden praktisch niet vaak toegepast vanwege hun lagere rendement. De meest toegepaste box is een Basreflex box.

Kan ik elke luidspreker zo maar in elke kast zetten?
Nee; Vooral bij Basreflex systemen, maar ook bij gesloten boxen en hoornkasten kan niet zo maar elke luidspreker geplaatst worden. In het algemeen worden luidsprekers met een hoge Q-factor (dit heeft niets met kwaliteit te maken maar is een van de parameters van de luidspreker) worden in z.g.n. klankborden en bepaalde typen hoornkasten gebruikt. Luidsprekers met een lage Q-factor worden i.h.a. alleen gebruikt voor Basreflex. Elke luidspreker heeft zijn eigen optimale afstemming; boxvolume resonantiefrequentie, poortfrequentie (bij basreflex). Er zijn diverse software programma's op de markt waarmee een gesloten of basreflex kast voor een bepaald type luidspreker berekend kan worden.

Wanneer gebruik ik hoornluidsprekers?
Laten we eerst eens kijken hoe een hoornluidspreker werkt. Een hoornluidspreker is eigenlijk niets anders dan een impedantie transformator. De hoorn zorgt voor een aanpassing van de relatief kleine luidspreker aan de grote omgevingslucht. Het nut van hoornluidsprekers wordt dus ook groter bij hogere frequenties. Vandaar dat voor het weergeven van hoge tonen in de PA wereld (vrijwel) alleen maar gebruik wordt gemaakt van hoornluidsprekers.

Voor het weergeven van lage tonen is in de praktijk een zeer grote hoorn nodig. Daarom wordt in het laag vrij weinig gebruik gemaakt van hoornsystemen. Een mogelijkheid om de hoorn kleiner te maken is door hem, na berekening van de hoornconstante en benodigd hals- en mondoppervlak domweg eerder op te laten houden. Hierdoor wordt de hoorn korter en het mondoppervlak kleiner. Gevolg is echter wel dat er een verstoring ontstaat in de overdracht van de hoorn. Dit is te merken aan bulten en dalen in de amplitude- maar ook in de impedantie karakteristiek van de hoorn.

Er zijn echter een aantal systemen die een vrij goede basweergave hebben zoals de bekende glijbaan en W-Bin. Het voordeel van een glijbaan is hierbij dat de luidspreker direkt stralend is gemonteerd en dus gebruikt kan worden tot ongeveer 2kHz. Het nadeel van de glijbaan is dat, door het ontbreken van een achterkamer de hoornbelasting een ware gruwel is voor de luidspreker. In glijbanen dient dan ook een luidspreker toegepast te worden met een relatief hoge Qes en een relatief zware conus. W-Bins hebben het voordeel dat ze vooral voor "long throw" toepassingen gebruikt kunnen worden; dit omdat de bas bij deze kast zeer ver draagt. Het nadeel van een W-bin is dat de laagst weer te geven frequentie ongeveer 70Hz is. Dit wordt in de praktijk enigszins gecorrigeerd door in de achterkamer een basreflex poort in te bouwen.

Een andere mogelijkheid om de laagst weer te geven frequentie te verlagen is het plaatsen van meerdere W-Bins per kant. Bij een aantal van 4 stuks per kant schuift het kantelpunt op tot ongeveer 50Hz. Een ander nadeel van de W-Bin is de grote kleuring; o.a. door het inkorten van de hoorn en doordat de grote panelen vrijwel niet verstevigd zijn en dus zeer duidelijk meetrillen. Het vreemde is echter dat dit door velen als zeer indrukwekkend wordt ervaren onder het mom van "wat dreunen ze lekker".

Klinkt een 400 Watt box harder dan een 200 Watt box?
De hardheid (maximale geluidsdruk) van een box wordt niet alleen bepaald door het vermogen dat de box kan verwerken. Een andere bepalende factor is namelijk de gevoeligheid of rendement van de luidspreker. Het meest gebruikt is de gevoeligheid. De meeste PA systemen hebben een gevoeligheid van ongeveer 99 dB. Dit betekent dat de luidspreker (8Ohm) wanneer er 1 watt vermogen toegevoerd wordt een geluidsdruk zal produceren van 99 dB. Elke verdubbeling van dit vermogen levert een toename in het geluidsniveau op van 3 dB. Dus 102 dB bij 2W, 105dB bij 4W, 108dB bij 8W, 111dB bij 16W, 114dB bij 32W, 117dB bij 64W, 120dB bij 128W, 123dB bij 256W enz. enz.

Deze berekening gaat in de praktijk echter maar ten dele op. Dit wordt veroorzaakt door o.a. compressie van de luidspreker en door opwarming van de spreekspoel. Hierdoor neemt de weerstand van de speaker toe en dus het toegevoerde vermogen af. Een goede richtwaarde is 2,8 dB per verdubbeling. Indien nu om op de vraag terug te komen een 400W box met een gevoeligheid van 95 dB vergeleken wordt met een 200W box met een gevoeligheid van 99 dB dan zal de laatste harder spelen bij maximaal vermogen. Let dus bij het aanschaffen van luidsprekers niet alleen op de belastbaarheid maar ook op de gevoeligheid.

Moet de box zwaarder zijn dan de versterker (in Watts)?
Over het algemeen juist niet. Een versterker van bijvoorbeeld 500W continu aan 8 Ohm kan tijdens muziekweergave een maximaal vermogen bereiken van ongeveer 15% boven deze waarde ~600W. Aangezien er in de meeste muzieksoorten echter nog zoiets zit als dynamiek zal het door de versterker geleverde vermogen gemiddeld veel lager liggen. Daardoor kan in de praktijk een versterker gebruikt worden die ongeveer 1,5-2 x zo zwaar is als het door de fabrikant opgegeven RMS (~continue) belastbaarheid van de luidspreker. Let wel op dubieuze luidsprekermerken die zich niet aan deze RMS meting houden. Koop overigens sowieso geen luidsprekers zonder gegevens; daar heb je helemaal niets aan.

In de praktijk vermeldt een goede fabrikant minimaal de volgende parameters: (RMS-belastbaarheid & Impedantie ter indicatie) gelijkstroomweerstand (Re), zelfinductie (Le), resonantiefrequentie (Fs), Mechanische Q-factor (Qms), Elektrische Q-factor (Qes) Equivalent volume (Vas) Bewegende massa (Mm) en BL-factor. Alle andere parameters kunnen met deze parameters berekend worden. Verder handig om te weten is de maximale lineare verplaatsing van de conus. Deze is ongeveer gelijk aan: (wikkelhoogte - dikte van de poolplaat)/2. De waardes kunnen liggen tussen 1mm (voor speakers boven 500 Hz) en 10mm voor extreem lange slag basluidsprekers. Bedenk wel dat hoe langer de slag is van een luidspreker hoe lager ook de gevoeligheid van deze luidspreker zal zijn (bij gelijk magneet systeem). Immers een veel groter gedeelte van de spreekspoel bevindt zich dan buiten de poolplaat.

Is zelf boxen bouwen moeilijk?
Nee; het bouwen van een box is niet moeilijker dan het bouwen van een kastje. Wanneer je uitgaat van een goed ontwerp en je hier zo strak mogelijk aan houdt kan het bijna niet fout gaan. Zorg wel altijd dat de box die je bouwt stevig in elkaar komt te zitten, dus niet met spijkers maar met echte goede houtlijm. Eventueel kunnen schroeven gebruikt worden om tijdens het drogen van de lijm de box bij elkaar te houden. Deze schroeven kunnen na het drogen eventueel weer verwijderd worden. Bij een goed in elkaar gezette box is de lijmverbinding namelijk vele malen sterker dan een schroefverbinding. Het ontwerpen van een box is echter iets dat alleen aan de professionals moet worden overgelaten. Het kost namelijk ontzettend veel tijd, kennis en ervaring om een goede luidsprekerbox te ontwerpen.

Is actieve filtering beter dan passieve?
Ze hebben beiden hun voor- en nadelen. Het nadeel van een passief filter is dat er altijd wat energie door het filter gedissipeerd (opgestookt) wordt. Dit wordt o.a. veroorzaakt door de inwendige weerstand van de gebruikte spoelen.

Dit is gelijk een ander probleem dat zich opdient bij passieve filters: Indien een passief filter gebruikt wordt om een overgang te maken bij een lage frequentie, is hiervoor een zeer grote spoel nodig. Deze grote spoel heeft een, in verhouding, hoge inwendige weerstand. Hierdoor gaat er een flink gedeelte van de energie verloren. Ook is het ontwerpen van een passief filter dat gebruikt gaat worden rondt de resonantiefrequentie(s) van de gebruikte luidspreker(s) verschrikkelijk moeilijk (veel fabrikanten hebben zich hier al zwaar in "verslikt"). Ook zal de uiteindelijke impedantie van de luidspreker/filter combinatie verre van ideaal zijn. Een ander belangrijk nadeel van een passief systeem is de lagere uitstuurbaarheid. Immers, alle signalen opgeteld moeten nog steeds binnen de voedingsspanning van de versterker passen. Dit betekent in de praktijk dat een versterker die voor een full-range systeem gebruikt wordt ongeveer 6dB minder uit kan sturen (dat is een factor 4 in vermogen) in vergelijking tot een actieve versterker. Het verschil in uitstuurbaarheid neemt overigens af met frequentie. Boven ca 3kHz is het uitsturingsvoordeel van actief t.o.v. passief vrijwel volledig verdwenen.

Actieve filters hebben overigens ook een aantal nadelen: De meest voor de hand liggende is uiteraard de kostprijs. Ten eerste is het filter zelf altijd al vrij duur (ongeveer € 250 - € 2500). Het tweede nadeel ligt echter minder voor de hand. Doordat filtering voor de versterkers gebeurt en de versterkers dus hun eigen vermogensband krijgen kan het gebeuren dat bij de ene soort muziek de basversterker veel moet leveren terwijl de hoogversterker niets staat te doen, en bij de andere soort muziek kan het weer net andersom zijn.

Uiteraard is er een tussenweg mogelijk tussen actief en passief en deze wordt dan ook door veel fabrikanten en ontwerpers, waaronder ook wijzelf, gebruikt. Voor de wisseling tussen bas en midden wordt gebruik gemaakt van actieve filtering. Hierdoor gaat er geen energie verloren in de grote filters (die anders nodig waren) en wordt de uitstuurbaarheid per versterker bijna 6dB hoger (dus de totale winst is 3dB (je hebt voor een actief systeem immers WEL twee maal zo veel versterkers nodig)). Voor de filtering tussen midden en hoog wordt gebruik gemaakt van passieve filtering. Doordat de filtering tussen midden en hoog meestal ligt tussen de 1.5 en 5kHz zijn de filtercomponenten relatief klein en hebben ze relatief kleine verliezen (enkele procenten). Tevens is het impedantie verloop bij deze hogere frequenties vaak veel rustiger dan bij bijvoorbeeld bij 100-200Hz. Ook is het eventuele verlies in uitstuurbaarheid nihil.

Zijn Linkwitz-Riley filters beter dan Butterworth filters?
Antwoord: Om deze vraag te beantwoorden moeten we eerst even iets uitleggen over filters. Bij het overnamepunt (bijvoorbeeld tussen bas en hoog) wordt het signaal door beide luidsprekers weergegeven. Filters zoals Bessel en Butterworth hebben een verzwakking van 3 dB bij het overnamepunt. Doordat het signaal echter door beide luidsprekers wordt weergegeven is het totale signaal dus 0dB elektrisch. Daarbij wordt echter vergeten dat twee luidsprekers efficiënter werken dan één. Dhr Linkwitz en Riley hebben dat jaren geleden onderzocht en kwamen met een oplossing. Door twee identieke Butterworth filters achter elkaar te plaatsen wordt de verzwakking op het overgangspunt (cross-over point) 6dB. De akoestische output zal echter in de meeste gevallen vlak zijn.

Dit verhaal gaat echter alleen op wanneer de luidsprekers relatief dicht bij elkaar geplaatst worden. Bij toepassing van een enkele subwoofer in een stereosysteem bijvoorbeeld (waar de subwoofer zich dus op enige meters afstand van de andere speakers bevindt), zal er van een verhoging in efficiëntie vrijwel geen sprake zijn

Mede hierom is er dus geen pasklaar antwoord te geven op welk filter type de beste resultaten geeft. In de praktijk wordt ook niet bij het ontwerpen van een luidspreker ook niet gewerkt met theoretische filters; zij worden alleen als uitgangspunt gebruikt. Uiteindelijke metingen zullen de juiste filterwaarden moeten leveren. Deze manier van werken levert "akoestisch correcte" filters op, waarbij de elektrische filtercurve iets heel anders dan een correct filter laat zien.

Ook hier is het belangrijk dat er niet alleen naar de amplitude response gekeken wordt. Bij het ontwerpen van een speaker kijken wij zelf altijd naar de: Amplitude karakteristiek, Fase karakteristiek, Impedantie karakteristiek, Openingshoek/frequentie karakteristiek, vervorming/frequentie karakteristiek en "waterfall plot".

Filters
Wanneer je bij een 3-weg systeem 2-weg passief en 2-weg actief werkt en filtert tussen bas en midden bij ongeveer 80-200Hz kun je i.h.a. voor bas en mid-hoog hetzelfde vermogen gebruiken. Dit biedt namelijk een interessante mogelijkheid. In plaats van een versterker te gebruiken voor bas en een versterker voor mid-hoog, kun je nu in plaats daarvan 1 versterker gebruiken voor links en een versterker voor rechts.

Dit biedt namelijk bij versterkers met een gezamenlijke trafo (transformator) het volgende voordeel: Doordat de signalen voor bas en mid-hoog elektrisch geheel niet op elkaar lijken kan de trafo in verhouding veel meer vermogen leveren. Deze winst kan oplopen tot wel 20%!! Een ander voordeel is dat wanneer bijvoorbeeld muziek gemaakt wordt met veel energie in de bas en weinig energie in mid-hoog vrijwel het volledige vermogen van de trafo hiervoor gebruikt kan worden.