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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Stimmt das überhaupt mit den Longitudinalwellen und dem wie wir Hören



Franky
16.11.2018, 20:16
Hatte die Tage ein Gespräch was mich nachdenklich machte. Stimmt das was man mit Longitudinalwellen verbindet überhaupt damit überein was dynamische Lautsprecher erzeugen.

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Messungen zu Erkundung des Schallerzeugungsvorgangs


Als Hersteller von Lautsprechern sind wir auf erhebliche Unstimmigkeiten in der herrschenden Schallentwicklungstheorie gestoßen und haben versucht, durch eigene Untersuchungen herauszufinden, wie der Schallerzeugungsvorgang tatsächlich abläuft.

Die folgenden Ausführungen sind reine Beschreibungen der durchgeführten Messungen. Unsere Interpretation der gefundenen Ergebnisse stellen wir in einer gesonderten Abhandlung auf Wunsch gerne zur Diskussion.

Wir haben verschiedene Versuchsaufbauten entwickelt, mit denen ein eindeutiger Bezug zwischen der Position einer schallerregenden Membran zu dem gemessenen Druck hergestellt werden kann.

Die beigefügten Dateien enthalten eine grafische Darstellung der Versuchsanordnungen V1, V2a und V2b.

Versuch 1
Dieser wurde mit drei verschiedenen Tieftönern von 175, 250 und 280 mm Korb- Ø, in Gehäusen von 12, 26 und 35 Litern an mehreren Orten und zu verschiedenen Zeiten mit immer denselben Ergebnissen durchgeführt.
Ein in ein geschlossenes Gehäuse eingebauter Tieftonlautsprecher wird mit einem beliebigen Sinussignal kleiner als 400 Hz zum Schwingen gebracht. Ein Mikrofon wird an einem Halter so vor der Membran positioniert, dass bei deren Vollausschlag ihre mittig angebrachte Staubschutzkappe das Mikrofon gerade berührt.

Das von dem Mikrofon aufgenommene Signal wird auf einem Oszilloskop sichtbar gemacht. Die Berührung der Staubschutzkappe mit dem Mikrofon erscheint als Nadelimpuls auf dem Bildschirm, die Position dieses Impulses auf der x- Achse zeigt den Zeitpunkt, an dem die Membran ihre maximale Auslenkung hat.

Die Druckschwankungen, welche die schwingende Membran erzeugt, erscheinen als Sinuslinie auf dem Bildschirm. Es zeigt sich, dass zur Zeit der größten Membranauslenkung, also da wo der Nadelimpuls ist, maximaler Unterdruck herrscht.

Als Frequenz wurden alle Werte von 20 bis 400 Hz verwendet. Bei höheren Werten wird der Membranhub zu klein, der Berührungsimpuls ist nicht mehr sichtbar.
http://www.translife.de/images/Bilder/Versuch1_680.png
Versuch 1a
Das gleiche Experiment wurde nochmals an einem offenen Lautsprecher ohne Gehäuse, welcher dann ähnlich wie ein Elektrostat ein Schnelleerreger ist, durchgeführt. Das Mikrofon wurde zusätzlich auch von der Magnetseite an die Membranrückseite gebracht. Das Berührungssignal erschien immer ausschließlich im unteren Tiefpunkt des Schalldrucksignals.

Versuch 1b
Der Lautsprecher ist in eine unendliche Schallwand montiert, das Messergebnis ist gleich wie bei obigen Versuchen.

Um auszuschließen, dass ein Fehler vom Mikrofon, des Messverstärkers oder des Oszilloskops durch Phasendrehung vorliegt, wurde ein zweiter Versuch entwickelt:

Versuch 2a
Dieser dient der Sicherstellung, dass das am Oszi sichtbare Drucksignal proportional zu seiner Darstellung auf dem Bildschirm ist, also ein Ausschlag nach oben tatsächlich Überdruck bedeutet.

Zunächst wird ein Lautsprecher untersucht, der ohne Gehäuse ist. Er führt eine sinusförmige Schwingung durch. Auf den zweiten Kanal des Oszilloskops wird das den Lautsprecher ansteuernde Verstärkersignal geschaltet und dieses zur Triggerung verwendet.

Das Mikrofon wird an der Membranvorderseite positioniert, die Phasenlage des Drucksignals zum Verstärkersignal wird notiert. Danach wird es zur Rückseite der Membran gebracht, es zeigt nun das Schalldrucksignal gegenphasig.

Wie nicht anders zu erwarten wurde hier bewiesen, dass von einer schwingenden Membran von beiden Seiten Schall abgestrahlt wird, der zueinander gegenphasig ist.
http://www.translife.de/images/Bilder/Versuch2_680.png

Versuch 2b
Der Lautsprecher erhält nun ein Gehäuse, das auf seiner Rückseite eine Öffnung besitzt, welche ein Einführen des Mikrofons in die Nähe der Membranrückseite erlaubt. Lochgröße und Außendurchmesser des Mikrofons sind gleich, sodass die Öffnung schalldicht verschlossen ist. So lassen sich die Druckschwankungen außen vor der Membran und im Gehäuse hinter der Membran durch Umpositionierung des Mikrofons abwechselnd darstellen. Bei der Außenposition des Mikrofons wird die Gehäuseöffnung durch einen Stopfen verschlossen.

Das vor dem Lautsprecher aufgenommene Schallsignal ist jetzt immer gleichphasig zu dem im Gehäuse gemessenen Drucksignal. Die beiden Signale unterscheiden sich nur in ihrer Amplitude, jedoch nicht in der Phase, erst in der Nähe von 1 kHz stellt sich eine leichte Phasenverschiebung ein, da auf der Rückseite das Mikrofon wegen des Lautsprechermagnets nicht unmittelbar an die Membran herangeführt werden kann.

In Versuch 1 wurde gemessen, dass bei Vollauslenkung der Membran nach vorn in diesem Moment maximaler Unterdruck herrscht. Nach Versuch 2B ist der Druck im Gehäuse gleichphasig, also auch hier größter Unterdruck. Dieses Ergebnis im Gehäuse war zu erwarten, da zu diesem Moment das im Gehäuse befindliche Volumen durch die nach außen ausgelenkte Membran am größten ist.

Der Versuch Nr.2 beweist also, dass das auf dem Bildschirm gezeigte Drucksignal richtig dargestellt wird.
http://www.translife.de/images/Bilder/Versuch2B_680.png
Versuch 2c
Dieser Versuch wurde jetzt noch erweitert durch den Einsatz eines Speicheroszilloskops. Das Mirofon wird im Gehäuse positioniert, die Membran des Lautsprechers wird durch Anlegen einer Gleichspannung nach innen gelenkt und bleibt dort stehen. Dieser Vorgang wird von dem Speicheroszilloskop festgehalten. Es zeigt einen impulsartigen Ausschlag nach oben gefolgt von einem exponentiellen Abfall.

Somit ist wirklich sichergestellt, dass das auf dem Bildschirm dargestellte Signal proportional zum gemessenen Druck ist.
Obige Versuche wurden vor einiger Zeit mit unserer Neutrik Messeinrichtung und dem Neutrik- Kondensatormikrofon vorgenommen.

Versuch 2d
Mittlerweile haben wir diese Messungen mit dem Brüel & Kjaer Subsonikmikrofon 4193, dem Vorverstärker 2669 L und dem Nexus Verstärker 2690 X nochmals mit denselben Ergebnissen durchgeführt. Die untere Grenzfrequenz dieser Kombination ist 0,3 Hz, damit lassen sich mehrere Sekunden lang Gleichdruck beobachten.

Zu all diesen Versuchen ist anzumerken, dass das für die Tieftonwiedergabe äußerst wichtige Phänomen der Eigenresonanz in keiner Weise irgend einen Einfluss auf die Phase des Schalldrucksignals zur Membranposition hat.

Versuch 3a
Wir haben Messungen über den Einschwingvorgang vorgenommen, wieder mit dem Tieftöner im geschlossenen Gehäuse mit der Mikrofonposition außen wenige cm vor der Membran und der Signalaufzeichnung durch ein Speicheroszi.

Zunächst bekommt der Lautsprecher eine positive Gleichspannung angelegt, die Membran bewegt sich nach außen und bleibt dort stehen. Das Oszi zeigt einen positiven Impuls, gefolgt von einem aperiodischen Ausschwingvorgang. Als Einzelimpuls erzeugt die sich nach vorn bewegende Membran tatsächlich Überdruck.

Versuch 3b
Als zweites wird der Lautsprecher aus seiner Ruhelage durch eine sinusförmige Spannung gestartet, die zum Zeitpunkt ihres größten positiven Werts zugeschaltet wird. Auf dem Bildschirm sieht man für einen sehr kurzen Zeitraum einen steilen Druckanstieg auf etwa ¾ der späteren Amplitude mit nachfolgendem noch steilerem Abfall auf den negativen Maximalwert, der erreicht wird, wenn die Membran an ihrem vorderen Umkehrpunkt ist. Das heißt, mit der Vorwärtsbewegung wird in einem Zuge zunächst Überdruck und dann Druckabfall erzeugt, der Einschwingvorgang ist im vorderen Umkehrpunkt bereits abgeschlossen.

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Tja, jeder denkt das kann nicht sein. In Analogie z.B. zu einem Verbrennungsmotor weiß man das der höchste Druck dann erreicht ist wenn der Kolben im oberen Totpunkt - also der maximalen Auslenkung ist.

Ich habe mir da auch Gedanken dazu gemacht und mich an Bernoulli mit den Strömungsgesetzen erinnert. Daher weiß ich noch das, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in einem Fluid steigt der Druck sinkt.
So wird aber nie im Rahmen dessen diskutiert welche Strömungen eine Membran erzeugt. Mein Gesprächspartner sagte das man dies wie ein Fluid sehen muß und auch genauso zu behandeln ist.

fosti
16.11.2018, 22:32
Wenn man einen stromlosen, leerlaufenden Transformator an eine Wechselspannung legt, wo erwartet man den geringeren Ausgleichsvorgang:
- Beim Zuschalten im Spannungsnulldurchgang oder
- beim Zuschalten im Spannungsmaximum?

Franky
16.11.2018, 22:56
Es widerspricht aber jeder geläufigen Theorie der Schallausbreitung.

albondiga
17.11.2018, 01:21
Laut meinem begrenzten Verständnis von Schallausbreitung entsteht das Schalldruckmaximum da, wo sich die Geschwindigkeit der Membran am schnellsten ändert: Nulldurchgang. Ableitung, Cosinus stat Sinus, Phasenversatz 90°. Wie misst das Mikrofon? ebenso? Nochmal 90° Phasenverschiebung, oder doch nicht?
Oder misst das Mikro so nah an der Membran mehr die Luftpumpeneffekte als den Schalldruck? Der Wirkungsgrad eines Chassis liegt ja im niedrigen einstelligen Prozentbereich, der Rest ist Wärme im Antrieb und Luftpumpe mit lokalen Druckdifferenzen, aber eben nicht Schalldruck.
Vielleicht doch keine neue Physik.

fosti
17.11.2018, 02:07
http://www.sengpielaudio.com/SchallfeldgroessenEinerEbenenWelle.pdf
http://www.sengpielaudio.com/SchallschnelleIstNichtDruckgradient.pdf (http://www.sengpielaudio.com/SchallfeldgroessenEinerEbenenWelle.pdf)

Dausend Acoustics
17.11.2018, 08:03
Guten Morgen,

wenn eine Erfindung oder Produkt die Regeln der Physik neu zu schreiben scheint und dann womöglich noch kommerzielle Absicht vorhanden ist, dann, ja spätestens dann sollten alle Alarmglocken läuten ;)

Im Fernfeld sind Schalldruck und Schallschnelle in Phase, im Nahfeld jedoch sind sie um 90° phasenverschoben. Kann man z.B. im Handbuch der Audiotechnik S.35f nachlesen oder auch hier: (Seite 2 oben)
https://www2.ak.tu-berlin.de/~akgroup/aufgabensammlung/Download/AT-1/Nahfeld_und_Fernfeld_Loesung.pdf oder auch hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Nahfeld_und_Fernfeld_(Akustik)

Neben dem Abstand ist das Nahfeld auch noch von der Frequenz abhängig. Man kann also bei 400Hz noch im Nahfeld sein und bei 1kHz evtl. im Fernfeld.

Beachtet man dies und schaut noch genau hin, wie und wann getriggert wurde, passt das dann doch ziemlich genau mit der Theorie zusammen und die Physikbücher müssen nicht neu geschrieben werden - Glück gehabt :)

Grüße
Andreas

fosti
17.11.2018, 08:37
Genau so, wie auch in den verlinkten Sengpiel-Papern beschrieben. Wenn man etwas tiefer gräbt sagt er auch noch was über die Eigenheiten von Mikrofonen. Ich denke auch es gibt da nichts Neues. Ich muss mich da aber auch immer wieder einlesen.

Chlang
17.11.2018, 10:46
Passt doch alles:
Lufmoleküle haben eben eine Masse und sind träge und werden im Gegensatz zur Membran nicht gebremst ("sie fliegen erstmal weiter) => Druckminimum im vorderen Umkehrpunkt der Membran.
Im geschlossenen Gehäuse herrschen Druckkammerverhältnisse, da kann sich die Schallwelle nicht "von der Membran lösen" (das Gehäuse wirkt auf die Luftmoleküle zurück (solange die Wellenlänge groß gegenüber den Gehäusedimensionen ist)). Da ist dann alles in Phase.

Grüße
Chlang

fosti
17.11.2018, 11:16
Da ja an anderer Stelle auf die "Theoretiker" geschimpft wurde, sieht man doch ganz schön, dass fundierte Theorie gar nicht so verkehrt ist ;)
.....um dann was "Praktisches" daraus zu machen, nennt sich "anwendungsorientierte Wissenschaft".

Slaughthammer
17.11.2018, 11:25
Passt doch alles:
Lufmoleküle haben eben eine Masse und sind träge und werden im Gegensatz zur Membran nicht gebremst ("sie fliegen erstmal weiter) => Druckminimum im vorderen Umkehrpunkt der Membran.
Im geschlossenen Gehäuse herrschen Druckkammerverhältnisse, da kann sich die Schallwelle nicht "von der Membran lösen" (das Gehäuse wirkt auf die Luftmoleküle zurück (solange die Wellenlänge groß gegenüber den Gehäusedimensionen ist)). Da ist dann alles in Phase.

Grüße
Chlang

Genau das habe ich gestern Abend beim Lesen auch gedacht, hab aber keine so handlichen Worte dafür gefunden.


Laut meinem begrenzten Verständnis von Schallausbreitung entsteht das Schalldruckmaximum da, wo sich die Geschwindigkeit der Membran am schnellsten ändert: Nulldurchgang.

Änderung der Geschwindigkeit (auch bekannt als Beschleunigung) ist aber die zweite Ableitung der Ortskurve der Zeit! Die zweite Ableitung von sin(x) ist -sin(x). Also sind die Peaks wieder in Phase, nur invertiert. Genau wie Franky es gemessen hat. Theorie bestätigt.

Gruß, Onno

ArLo62
17.11.2018, 11:27
Was mich interessiert was das mit den oben beschriebenen Line Arrays und den Planar-Lautsprechern zu tun hat.
@Franky: Hast Du die Speaker mal gehört und kommt da was?
Was ist daran anders als bei anderen Subsystemen?
Line Arrays in der schmalen Bauform sind in meinem Kopf nicht gerade als Bassmonster geflaggt.
Gruß
Arnim

Franky
17.11.2018, 18:53
Ich hatte den Herrn Zürn ja lange am Telefon. Er hat die Vermarktung der Translife Lautsprecher eigentlich aufgegeben. Trotzdem habe ich herausgehört das ihm seine Entwicklungen am Herzen liegen und er vielleicht jemanden sucht der das Thema weiterführt. Seiner Meinung nach zeigen seine Messungen eine Diskrepanz zu der allgemeinen Lehrmeinung.
Er sagt auch das diese Diskrepanz zu der Entwicklung seiner flachen Basssysteme geführt hat. Sie haben trotz offener Bauweise eine Einbaureso von ca. 400 Hz und werden nur unter 200Hz betrieben. Auf meinen Einwurf das es wohl ein URPS sei meinte er das dem nicht so ist da das Gehäuse Öffnungen hat. Er sagte das sein System keinen Schalldruck sondern Schallschnelle erzeugt.

Ich habe mir gedacht das ich das einfach mal hier im Forum vorstelle. Ich weiß selber nicht was ich davon zu halten habe aber wenn sich die Gelegenheit bietet würde ich so ein System gerne mal hören.

KernGesunderBiertrinker
17.11.2018, 19:05
Wenn ich irgendwo lese das irgendwer mal wieder die Physik neu erfunden hat muss ich immer an den Autoren dieses Meisterwerks denken: https://www.amazon.de/Das-Wissen-die-wahre-Physik/dp/3935054084
RIP

ArLo62
17.11.2018, 19:53
Naja, so unwahrscheinlich ist das nicht. Die Bassdipole sind ja auch Schnellewandler. Schalldruck bauen die ja nicht auf.
Grtz
Arnim

tim1999de
17.11.2018, 23:09
Hallo Franky,

die dargestellten Versuche könnten Hinweise auf den Umstand geben, dass Basslautsprecher eine Richtcharakteristik aufweisen, die sie im Sinne eines Schalldruckerzeugers und der Wellentheorie nicht haben dürften.
Besonders auffällig ist dieser Aspekt bei der These, dass ein einseitig angeordneter Bassreflexport zu einer gleichmäßigen Tiefton Schallausbreitung führen soll, da der Portquerschnitt viel kleiner als die Wellenlänge ist. Praktisch wird jedoch auch auf den Messergebnissschrieben schon die Richtwirkung sichtbar. Noch immer gut hör- und messbar ist dieser Effekt bei seitlich angeordneten Tieftönern.

Ein anderes Detail wird aus den Versuchen deutlich, dass eine Rückwirkung aus dem Lautsprechergehäuse auf das Verhalten des Treibers bezogen auf die Dämpfung als angekoppeltes System hinweist.
Hier besteht die These, der Lautsprecher soll in ein Volumen spielen und das soll optimal bedämpft sein, dann kommt nichts mehr zurück und der Treiber spielt perfekt - soweit die Theorie. Praktisch ist hörbar, dass mit zunehmender Bedämpfung des Luftvolumens des Gehäuses das Detailspielvermögen sinkt, nach obiger Theorie müßte es ja ansteigen, da die Rückwirkungen aus dem Gehäuse fehlen. Nach den Messungen die du vorgestellt hast entnehme ich, dass die These von mir, dass der Dämpfungsfaktor der Luftfeder im Gehäuse sich direkt auf die Dämpfung des Treibers auswirkt, anwendbar ist und damit ganz massiv vereinfacht, die Summe der mechanischen Verluste eines Lautsprechers (Treiber im Gehäuse) auch mit der Hohlraumbedämpfung im Gehäuse ansteigen. Das ist eigentlich auch wieder eine Binsenweisheit, wenn man es von den Impedanzmessungen her betrachtet, jedoch zeigt dies, dass eben durch die Erhöhung der Bedämpfung auch das Detailspielvermögen sinkt und nicht ansteigt.
Hier gibt es aktuell eine spezielle Entwicklung bei Lautsprecher, dass diese nur noch in perfekten Gehäusen ohne Dämpfungsfaktor klingen, also bei Ankopplung einer perfekten Feder ohne Dämpfung und ohne Resonanzeffekte. Die alten Treiber ordne ich in zwei Gruppen zu, 1. solchen wie den Görlich, deren Sound durch im Chassi eingebaute Luftfedern erzeugt werden und die wenig auf das Gehäuse reagieren (damit sollten bei den Versuchsreihen oberhalb von ca 200 Hz Phasenabweichungen auftreten, die die "besseren" Treiber nicht vorweisen), und den Treibern, die "lebendig" spielen, also solche, die zu wenig Dämpfung aufweisen und erst in einem bedämpften Gehäuse ein ausgewogenes Ausschwingverhalten und einen glatteren Frequenzgang erhalten. Beide Konzepte scheitern jedoch immer am Klirr, das ist zumindest meine Analyse, da die Obertöne zu leicht anregbar sind.

Was mich jetzt noch interessiert, ist, wie die Übereinstimmung von Messung und Simulation wie ABEC ausfällt. Das spannende an Finite Elemente Modellen ist, dass man ja durchaus auch anhand der Variation von Randbedingungen mit der Simulation die Messergebnisse nachsimulieren kann und dann ausgesprochen genaue Modelle erstellen kann. Gibt es hierzu Erkenntnisse?

Jetzt noch zu der Quelle der Versuche - zu Translife: Dort werden die Versuche dargestellt und dann erklärt, deshalb würden sie Linienschallquellen bevorzugen. Für mich hat das eine mit dem anderen eigentlich ziemlich nichts zu tun, da es sich thematisch um ein anderes Phänomen handelt, das in DSP gesteuerten Tonsäulen zu Beschallungszwecken voll ausgereizt wird. Für die Bassflachmembranlautsprecher gilt zudem, dass die Übertragungs-Impedanz zwischen der Quelle (Membran) und dem Medium Luft günstiger auf Grund der geometrischen Form der Quelle wird und daher ein relativ dezenter Lautsprecher viel Bass spielen kann. Auch nichts neues ist, dass die geometrische Form eine offene Bauweise begünstigt und so der akustische Kurzschluss in seiner Wirkung reduziert werden kann.
Daher erkenne ich keinen Zusammenhang zwischen den veröffentlichten Versuchen und der praktischen Umsetzung.
Wenn Translife einfach schreiben würde, dass der Sound eines alten Bassgitarrenverstärkers cool ist und dass sie das in Alu und trendiger schlanker Form umgesetzt hätten, könnte ich das vom Marketing Aspekt her eher verstehen.

Grüße Tim

fosti
18.11.2018, 22:28
Naja, so unwahrscheinlich ist das nicht. Die Bassdipole sind ja auch Schnellewandler. Schalldruck bauen die ja nicht auf.
Grtz
Arnim

Das stimmt so nicht. Ideale Stromquellen z.B. liefern einen konstanten Strom D.h. aber NICHT, dass sie keine Spannung "aufbauen" könnten!

JFA
19.11.2018, 07:56
Ist es zu früh am Morgen, oder warum verstehe ich die Revolution in diesen Versuchen nicht?

fosti
19.11.2018, 08:49
Nee, kannst Dich ruhig wieder hinlegen.
:prost:

JFA
19.11.2018, 10:15
So, jetzt mit 1 Kanne Kaffee intus: wo genau liegt das Verständnisproblem? Worauf will der hinaus? Dass das Mikrofonsignal gegenphasig zur Auslenkung ist?