Verslag
AES-lezing project 190 door Richard van Everdingen © 2008
Foto’s: Bert Kraaijpoel (AES) en
Bob Vos © 2008
Illustraties: Prof. dr. ing.
Wolfgang Klippel (www.klippel.de)
Dit verslag is in maart 2008
gepubliceerd in het vakblad Masterfiles (www.masterfiles.nl)
Zwakke punten
weggepoetst door slimme elektronische compensatie
De perfecte
luidspreker nabij
Luidsprekers. Ze zijn er in vele
soorten en maten en zo verschillend zijn ook de prestaties. Het
eindresultaat komt voort uit een vergaarbak van fysieke factoren en
natuurkundige compromissen. Daar het beste uit halen resulteert vaak in
een omvangrijk ontwerp; qua afmeting en meestal ook qua prijskaartje.
Maar wat als de karakteristieke zwakheden met hoogwaardige technieken
als het ware genetisch worden gemanipuleerd en een simpel exemplaar
plots een wolf in schaapskleren blijkt?
Menig bijeenkomst van de Audio
Engineering Society is interessant, maar er zijn er bij die daar ver
bovenuit steken. Bij de AES spreekt men niet van zomaar een lezing,
maar nogal gewichtig van “een project”. Bij de avonden die de
aanwezigen lang bijblijven is dat misschien wel juist zo karakteristiek
voor de muisstille aandacht en nog lang doorlopende discussies na
afloop; toch even een heel klein beetje deel uitmaken van iets dat veel
groter is, zoals jarenlang wetenschappelijk onderzoek, diepgaande
kennis en baanbrekende resultaten. Die ingrediënten bleken
overduidelijk aanwezig in het menu dat de AES voor 30 januari
jongstleden in petto had: Luidsprekercompensatie, boeiend en
overtuigend voorgedragen door Prof. dr. ing. Wolfgang Klippel van de
Universiteit van Dresden.
Biografie
Wolfgang Klippel studeerde
elektronica aan de Technologische Universiteit van Dresden. Nadat hij
afstudeerde in spraakherkenning, ging hij werken bij een
luidsprekerfabrikant in het oosten van Duitsland. Hij was betrokken bij
onderzoek naar het modelleren van elektromechanische omzetters,
akoestische metingen en psychoakoestiek. In 1987 ontving hij een
doctoraat in technische akoestiek. Na een postdoctoraal jaar aan de
Audio Research Group in Waterloo – Canada - en een periode gewerkt te
hebben bij Harman International – eveneens in Canada – keerde hij in
1997 terug naar Dresden. Hij stichtte daar zijn eigen bedrijf
Klippel GmbH, dat sindsdien nieuwe manieren van besturings- en
meetsystemen ontwikkelt, specifiek voor luidsprekers en soortgelijke
omzetters. Wolfgang Klippel ontving de Publication Award voor een
opmerkelijke publicatie in het journaal van de AES in 1992 en werd AES
Fellow in 1997. In 2007 werd hij benoemd tot professor in de
elektroakoestiek, wederom aan dezelfde universiteit als waar hij ooit
begon.
Wolfgang Klippel
Hoe het begon
Dr. Klippel vertelde hoe hij rond
1986 – destijds woonachtig achter het ijzeren gordijn in de toenmalige
DDR - gefascineerd was geraakt door een publicatie van de bij Philips
werkzame Nederlander Dr. Arie J.M. Kaizer, over het gebruik van
polynoomfilters. Die maakten het mogelijk om de niet-lineaire respons
van een luidspreker in een model te vatten. Bij een polynoom wordt een
overdracht uitgedrukt in een reeks algebraïsche factoren. Het kunnen
rekenen daarmee gaf een belangrijke toegevoegde waarde in de
theoretische benadering die belangrijk is om het niet-lineaire gedrag
(de vervorming) van een luidspreker te kunnen begrijpen. Het bijzondere
van dit verhaal was de aanwezigheid van Dr. Kaizer in het publiek. Na
afloop van de presentatie gingen zij nog druk in met elkaar gesprek
over enkele wetenschappelijke details, onnavolgbaar voor het merendeel
van de omstanders…
Klippel & Kaizer
De zwakste schakel
Wat is er eigenlijk mis aan een
doorsnee luidspreker? Technisch gezien tamelijk veel. Als we kijken
naar de prestaties van audiocomponenten in een keten zoals een
CD-speler en een versterker, dan valt op dat de luidspreker relatief
veel afwijkingen aan het signaal toevoegt. Het grootste aandeel is
lineaire vervorming, voornamelijk variatie in de luidheid over het
gehele weergavegebied van laag naar hoog (amplitudekarakteristiek) en
deviatie in de tijd van het weergavesignaal (fasekarakteristiek).
Lineaire afwijkingen geven de luidspreker een specifieke klank, ook wel
kleuring genoemd Met de plaatsing van de luidspreker in de
luisterruimte kan hier nog een beetje op worden ingespeeld. Kleuring
hoeft tot in zekere mate niet eens onaangenaam te zijn; kwestie van
smaak. Dit is doorgaans anders voor diverse vormen van niet-lineaire
vervorming, die over het algemeen agressiever uitwerken. Luidsprekers
maken ook van die niet-lineaire bijproducten. Zolang als het
signaalniveau laag is, bestaat dit voornamelijk uit harmonische
vervorming. Het karakter daarvan bepaalt in sterke mate of dit
gehoormatig nadelig uitpakt. De luidspreker produceert weliswaar extra
veelvouden van originele tonen die aan het signaal worden toegevoegd,
maar ze bevinden zich in de regel relatief dichtbij de grondtoon
(voornamelijk tweede en derde harmonische) en zijn daarmee nog in
voldoende mate in harmonie met het origineel. Daarmee valt de schade
mee en uit het zich eveneens als kleuring. Maar dit wordt anders zodra
de luidspreker zwaarder wordt belast. Bij grote signaalpieken neemt de
hoeveelheid extreem toe en komen ook andere, niet-harmonische
verschijnselen naar voren, die de weergave ook al bij relatief kleine
hoeveelheden merkbaar aantasten. De eigenschappen van een luidspreker
zijn ook niet stabiel, maar variëren onder invloed van temperatuur –
ook door en tijdens het gebruik – en veroudering. Naast de beschrijving
van het karakter van luidsprekers mag niet onvermeld blijven dat de
akoestiek van de luisterruimte ook een zeer grote invloed heeft op de
weergave, die het resultaat ook met de beste boxen kan maken of breken.
Een ideale luidspreker geeft niet
alleen een goed geluid, maar is vooral ook klein, licht van gewicht,
goedkoop, efficiënt en robuust. Want de aandacht van de onderzoekers is
zeker niet alleen gericht op hoogwaardige muziekinstallaties voor
theater, concert en thuis, maar op alles waar een luidspreker in zit.
Dus ook draagbare mediaspelers, omroepsystemen en telefoons. Het
gebruik van nieuwe materialen, alternatieve constructies en verbeterde
productiemethoden dragen bij aan het optimaliseren. Vaak is het idee
niet nieuw, maar blijkt het pas nu tegen redelijke kosten
produceerbaar. Dr. Klippel vatte het treffend in één zin samen: “De
meeste van dit soort verbeteringen kan worden geschaard onder het
heruitvinden van oude ideeën op een hoger niveau”.
Actieve besturing
Onder oude wijn in nieuwe zakken
valt ook de actieve compensatie. Audioliefhebbers kennen natuurlijk de
populaire MFB-box van Philips uit de jaren 70 die nog steeds een trouwe
groep gebruikers kent (www.mfbfreaks.nl). Afbeelding 1 geeft het
principe weer. De vervorming die de luidspreker produceert wordt
negatief teruggekoppeld aan de versterker, zodat alleen het originele
signaal wordt weergegeven. Hiermee kan de box ook tot lagere
frequenties reiken dan met een passieve kast van dezelfde afmetingen
mogelijk is. Dr. Klippel gaf aan dat een compensatiesysteem in de
eerste plaats stabiel moet zijn. Instabiliteit doet het positieve
effect teniet en zal de luidspreker beschadigen. Verder moet het
goedkoop en simpel te bedienen zijn en zich aanpassen aan
omgevingsomstandigheden die de luidspreker beïnvloeden.
Compensatietechnieken kunnen zowel analoog als digitaal worden
geïmplementeerd. De klassieke oplossing is het gebruik van een sensor
die de beweging en snelheid van het luidsprekermembraan detecteert. Het
gebruik daarvan heeft als nadeel dat de eigenschappen en de spreiding
daarvan meetellen in het eindresultaat. Kortom, een goede opnemer maakt
de zaak duurder en complexer. Bovendien kan de sensor uit de pas gaan
lopen met het toenemen van de frequentie, wat met analoge techniek
lastig te optimaliseren is. Een ander aspect is de invloed van
veroudering, waardoor de compensatie naar jaren van gebruik verschuift.
Wordt het verschil te groot, dan is de kans reëel dat juist nieuwe
vervorming wordt toegevoegd. Dat is het kind met het badwater weggooien
en dit alles vraagt dan ook om een compensatie op basis van een
Digitale Signaal Processor (DSP), waarbij de regeleigenschappen veel
preciezer kunnen worden geprogrammeerd en bijgesteld.
Afbeelding 1: Basisprincipe
vervormingscompensatie
Luidspreker als sensor
Een interessante mogelijkheid is
om de luidspreker zelf als sensor te gebruiken. Dit kan al op een
eenvoudige manier met analoge techniek, door de stroom te meten die
door de luidspreker loopt (afbeelding 2). Onregelmatigheden daarin
kunnen worden gecompenseerd en zo ontstaat meer grip op het
eindresultaat. Maar ook dat heeft zijn beperkingen. Er wordt op die
manier alleen in het elektrische domein gemeten. De afwijkingen
ontstaan juist vooral in de overdracht van elektrisch naar mechanisch.
En die eigenschappen zijn allerminst constant.
Afbeelding 2: Compensatie door
het meten van de stroom
Een voorbeeld is het
effect van de positie van de spreekspoel (afbeelding 3). De luidspreker
kan worden gezien als een motor. De parameters kracht, de inwendige
demping als gevolg van variaties van de inductie en de stijfheid van de
ophanging, veranderen bij het bewegen van de spreekspoel in de magneet.
De mate waarin dit gebeurt kan ook nog eens ongelijk (niet-lineair)
zijn bij het naar voren of naar achteren gaan.
Afbeelding 3: Veranderende
eigenschappen door de positie van de spreekspoel
Hoewel er diverse
technieken zijn bedacht om het krachtsverloop zo vlak mogelijk te
houden, zijn er altijd afwijkingen en neemt de kracht af naarmate de
uitslag van het membraan groter wordt (afbeelding 4).
Afbeelding
4: Kracht versus
verplaatsing
Door alleen te
compenseren op de luidsprekerstroom, worden die afwijkingen niet
correct meegenomen. Andere effecten zijn de verandering door de
temperatuur van de spreekspoel en afwijkingen in de stijfheid van de
ophangingen van de spoel en luidsprekerconus. “We kijken van de
elektrische naar de mechanische kant door een raam, wat ons een
verstoord zicht geeft naar de buitenkant. Daardoor krijgen we een
vervormd signaal dat we vervolgens terugvoeren naar de ingang”, aldus
Dr. Klippel.
Digitale compensatie
Door gebruik te maken van
digitale technieken ontstaan complexere mogelijkheden voor de
compensatie. In plaats van de tot nu toe besproken systemen op basis
van terugkoppeling, is een voorwaarts werkend principe mogelijk. Dit
heeft als voordeel dat er geen sensor nodig is en dat het niet
het gevaar kent van instabiliteit, dat altijd met terugkoppeling op de
loer ligt.
Afbeelding 5: Opsplitsing in
vervormingscomponenten met polynoomfilters
Door in de
compensatie de vervormingen eerst in
afzonderlijke componenten op te delen (afbeelding 5), kunnen de door de
luidspreker gemaakte afwijkingen in tegenfase worden opgewekt en
daardoor vrijwel worden geëlimineerd (afbeelding 6).
Afbeelding 6: Opwekking van de
vervorming in tegenfase
Het manco aan dit principe is
evenwel dat het niet adaptief is. Het is alleen voorgeprogrammeerd op
statische eigenschappen en houdt geen rekening met de veranderingen van
de luidspreker als die zwaarder belast wordt. Dr. Klippel werkt aan een
oplossing die een flinke stap verder gaat en ook de dynamische
eigenschappen meeneemt. Afbeelding 7 laat het principe zien, waarin het
effect van de niet-lineaire kracht (1), de inductie (2) en de stijfheid
van de ophanging (3) kunnen worden gecompenseerd.
Afbeelding 7: Geavanceerde
dynamische compensatie van Dr. Klippel
Afbeelding 8: Reductie van de
vervorming door de compensatie
Afbeelding 9: Blokschema van de
nieuwe compensatieschakeling
Het juist bepalen van de
parameters van de luidspreker is natuurlijk erg belangrijk om het
compensatiealgoritme te vullen. Via zijn eigen bedrijf Klippel GmbH,
heeft de spreker apparatuur in de handel gebracht die het mogelijk
maken om metingen en kwaliteitscontroles te doen. De parameters worden
bepaald door een combinatie van de analyse van de stroom,
terugkoppeling met een meetmicrofoon en aftasting via een laser. Een
geavanceerd computerprogramma geeft daarmee een reeks aan meetgegevens
en grafieken. Op de klantenlijst staan bekende namen van
luidsprekerfabrikanten als B&W, Canton en Focal.
Afgrijselijk geluid
Een indrukwekkend en levendig
gedeelte van de presentatie werd gevormd door enkele demonstraties. Dr.
Klippel liet met behulp van een muziekstuk – een zanger begeleid door
een flink basritme - horen hoe de vervormingscomponenten klinken. Zo
werd bijvoorbeeld duidelijk wat de bijdrage is van de niet-lineariteit
als gevolg van de krachtsverlies door verplaatsing van de spreekspoel:
ronduit akelig! Op moment van een forse uitslag door een bastoon,
werden hogere tonen zoals in de spraak gemoduleerd; er ontstond
breedbandintermodulatie. Heel anders klonk de vervorming die ontstaat
door de niet-lineaire stijfheid van de ophanging. Hierbij liep
voornamelijk de basweergave kwalitatief achteruit, maar was er
eigenlijk helemaal geen invloed op de zang. Dramatisch daarentegen was
het effect van de variaties in de inductie, wederom onder invloed van
verplaatsing. Dit had een sterk modulatie-effect op de hogere
frequenties waardoor de zang ronduit afschuwelijk klonk. Conclusie was
dat de verschillende eigenschappen belangrijk zijn voor een specifieke
aantasting van de klank. Als voorbeeld noemde de spreker luidsprekers
die speciaal ontwikkeld worden voor auto’s (de beruchte boemboxen)
waarbij de nadruk ligt op zoveel mogelijk kracht, maar wel ten koste
van het inductieverloop. Resultaat is inderdaad een zeer hoge
geluidsdruk, maar wel één met veel vervorming. Uit de demo bleek ook de
zinloosheid van het beoordelen door alleen te meten met een
enkelvoudige toon. Dit geeft helemaal geen zicht op dit soort
intermodulatie-effecten. Beter is het om te meten met een multitoon, of
- zoals de compensatieschakeling continu doet - met de muziek zelf. Via
simulatie van Dr. Klippel’s schakeling kan elk soort gecompenseerde
vervorming - zoals met de luidsprekersymbooltjes op diverse plaatsen in
afbeelding 7 is aangegeven – hoorbaar gemaakt worden.
Meetopstelling
Droomprestaties
Actieve compensatie van
niet-lineaire vervorming van luidsprekers kan de prestaties sterk
verbeteren en levert tal van voordelen op bij een groot aantal
toepassingen. Recent onderzoek en krachtige digitale technieken maakt
een geavanceerde luidsprekercompensatie mogelijk, waar de grondleggers
van die technologie alleen maar van konden dromen. Natuurlijk kunnen
niet alle variaties in de weergave met de compensatie onder controle
gehouden worden. Zo zal de luisterruimte nog steeds van grote invloed
zijn op de weergave. De compensatie kan natuurlijk ook weinig meer doen
als de luidspreker een defect zoals een gescheurde ophanging heeft
opgelopen, maar zou dit wel kunnen detecteren en de gebruiker hiervoor
kunnen waarschuwen. Met name voor zwaar belaste PA-luidsprekers zou het
systeem op basis van gewijzigde parameters kunnen aangeven welke
binnenkort aan vervanging toe is. Het wachten is nu op de geïntegreerde
schakelingen die goedkope toepassing in massaproductie mogelijk moet
maken en die zowel een oortje van een mobiele telefoon als de
allerbeste luidsprekers voor in de huiskamer nog beter kan laten
presteren.
Richard van Everdingen
(richard&delta-sigma-audio.nl)