Een gedempt luidsprekersysteem is een luidsprekersysteem dat bij kleine afmetingen toch over een goede weergave in het lage tonen gebied beschikt. Hierin wordt geen gebruik gemaakt van resonantiepoorten om de lage weergave te "verleggen" naar een lager frequentiegebied, zoals bij de basreflexkast, maar door de trillingen, ook wel resonantie genoemd, van de conus onderkritisch te dempen. Demping verkleint de resonantie en vergroot de bandbreedte van de luidspreker.
Met behulp van de bewegingsvergelijking wordt duidelijk wat de bijdrage van de dempingsweerstand is.
De luidprekerkast is verder uitgerust met een (met schuim gevulde) pijp van speciale afmetingen, waardoor de luidsprekerconus grote uitslagen kan maken en zo het kastvolume effectief wordt vergroot. Het rendement, het afgegeven akoestisch vermogen gedeeld door het elektrisch vermogen van de versterker, is laag. Er is een krachtige versterker nodig. Een versterker van 100 watt of meer per kanaal is niet ongewoon.
De weergavekarakteristiek is zeer vlak en lijkt op dat van een koptelefoon. Door de toepaste demping is het tweede-ordegedrag van de luidspreker onderdrukt en bepaalt alleen de stralingsweerstand van de luidspreker het frequentiegedrag. De stralingsweerstand is, als de golflengte van het geluid in de buurt van de omtrek van de luidspreker komt, omgekeerd evenredig met de frequentie. Onder die frequentie neemt het afgegeven akoestische vermogen 6 decibel per octaaf af.
In de volgende paragrafen wordt de werking van dit systeem, dat eindjaren zestig van de twintigste eeuw door Houben cs. bij Philips ELA al is ontwikkeld, toegelicht, inclusief de opbouw van de elektrische filters.
Luidsprekerbewegingsvergelijking De luidspreker, waaronder de conus met spreekspoel en de conusophanging, is bij lage tonen op te vatten als een veermassasysteem dat kan oscilleren, of resoneren, bij een bepaalde frequentie.
Voor dit veermassasysteem geldt de bewegingsvergelijking:
||| – momentane kracht op de conus en spreekspoel |- ||| – momentane uitwijking uit de evenwichtstand |- ||| – massa van conus en spreekspoel |- ||| – de inwendige wrijvingsweerstand van de conusophanging |- ||| – veerconstante (of de reciproke, de compliantie)
van een dergelijk systeem is de resonantiefrequentie:
en de kwaliteitsfactor (mate van opslingering door resonantie):
Wordt er een extra dempingsweerstand aangebracht op het luidsprekersysteem, , dan wordt de bewegingsvergelijking:
De aangebrachte dempingsweerstand staat in serie met de weerstand van de conusophanging en is dus toegenomen. Hierdoor wordt resonantiefrequentie niet veranderd, maar de opslingering door resonantie (kwaliteitsfactor) is verlaagd.
Opbouw luidsprekersysteem thumb|Fig.1 Gedempt luidsprekersysteem, vooraanzicht In de kast zijn de woofer, de middentonen luidspreker (squawker), de tweeter en de pijp, die de conus van de woofer grote uitslagen moet kunnen laten maken, goed te zien. Op de bodem van de kast ligt het scheidingsfilter, waarin polystyreen condensatoren, 3 luchtspoelen en 1 spoel met ijzerkern zijn toegepast. Zie Fig.2
Om details beter te kunnen zien van figuur 1, 2, 3 kan door klikken op de afbeelding de afbeelding worden vergroot.
De pijp De kast is tamelijk klein en heeft daardoor een "stijf" akoestisch gedrag, dat wil zeggen de conus van de in de kast geplaatste luidspreker wordt tegengehouden door het kleine volume en kan daardoor niet makkelijk bewegen. Lucht is, naast dat het zeer moeilijk samendrukbaar is, ook niet lineair samendrukbaar en dit geeft vervorming van geluidstrillingen met een grote amplitude. Om de conus toch bewegingsvrijheid te geven is een poort in de vorm van een pijp aangebracht, die het inwendige van de kast in verbinding brengt met de ruimte waar de kast staat. De pijp is zodanig ontworpen dat de massa van de lucht in de pijp én het volume van de kast het geluid boven 20 hertz 180 graden in fase gedraaid doorgeeft. Daar het geluid, dat door de achterkant van de luidspreker wordt afgestraald, in tegenfase is met het geluid dat aan de voorzijde wordt afgestraald, is het resultaat dat de pijp aan de voorkant (poort) het geluid in fase met de luidspreker afstraalt. Hierdoor wordt ook de geluidsenergie benut die aan de achterzijde van de luidspreker wordt afgegeven.
De massa van de lucht in de pijp en het volume in de kast vormen op hun beurt een resonantiekring, een zogenaamde Helmholtzresonator. Dit is ongewenst, daarom is in de pijp een stuk schuim gestopt om kleuring van het geluid, door resonanties in die helmholtzresonator, tegen te gaan.
Woofer thumb|Fig.2 Gedempt luidsprekersysteem, binnenwerk De woofer heeft een speciale behandeling gekregen. In de kast is te zien dat de acht gaten in de conusdrager van de luidspreker zijn afgedicht. Vijf gaten zijn met aluminiumplaat dicht gemaakt met behulp van een sterke tweecomponentenlijm. Op de drie resterende gaten is een rooster aangebracht met daarop een laag vilt. Zie Fig.2
Dit vilt heeft een bepaalde luchtweerstand. Die weerstand is zo gekozen, dat de luidspreker bijna géén resonantie meer heeft (onderkritisch gedempt). De massa van de conus en de veerconstante van de conusophanging bepalen de resonantiefrequentie. De mate van opslingering wordt bepaald door de wrijvingsverliezen in het vilt op de conusdrager. De onderkritische demping is nodig om de luidspreker niet te veel te dempen, waardoor deze te zacht zou gaan klinken. De woofer heeft een doorsnede van 30 cm. Het typenummer is AD1256/W8.
Tweeter en squawker De gebruikte tweeter is een zogenoemde dometweeter; typenummer AD0163/T8. De middentonenluidspreker is een squawker, een domeluidspreker ontwikkeld voor het middentonengebied in een dichte behuizing, waardoor deze akoestisch geïsoleerd is van de woofer; typenummer AD0211/Sq8.
Scheidingsfilter thumb|Fig.3 LuidsprekerscheidingsfilterHet scheidingsfilter zorgt dat de woofer, de squawker en de tweeter de juiste elektrische signalen van de audioversterker toegevoerd krijgen. Het scheidingsfilter bestaat uit filters van spoelen en condensatoren. Deze vormen op hun beurt parallelle en seriële resonantiekringen, ook wel lc-circuits genoemd. Als deze filters gaan resoneren, zal het geluid nadelig worden beïnvloed; er is geen vlakke geluidsweergave mogelijk. Door weerstanden in de resonantiekringen aan te brengen ontstaan rlc-circuits en worden de resonanties gedempt. Ook hier moeten de weerstanden, net als bij de demping van de woofer, niet te klein zijn om te veel vermogensverlies te voorkomen, maar ook niet te groot waardoor de demping zou worden afgezwakt.
Door de demping van de luidspreker en de filters "ziet" de versterker het systeem praktisch als een ohmse weerstand. De impedantie is over het audio frequentiegebied van 20 Hz tot 20 kHz constant. Hierdoor is het akoestische gedrag van het luidsprekersysteem niet afhankelijk van de dempingsfactor van de versterker. Buizenversterkers, niet befaamd vanwege hun lage dempingsfactor vanwege de hoge inwendige impedantie van de eindbuizen en de noodzakelijke uitgangstransformator, zouden dit type luidsprekersysteem daarom zonder problemen kunnen aansturen.
Het fasegedrag is door de reële en imaginaire componenten in het scheidingsfilter ook van belang. Rond de overname (scheiding) frequentie treedt een faseverschuiving op die, op zijn beurt, frequentie afhankelijk is. Voorbij de overnamefrequentie is het effect van de faseverschuiving een stuk minder.
Kast In het binnenwerk van de kast is te zien, dat er geen dempingsmateriaal op de wanden is aangebracht. In andere typen luidsprekerkasten is geluidsabsorptie nodig om de resonantie van de luidspreker, staande golven in de kast en resonantie van de kastwanden zo veel mogelijk tegen te gaan. In de kast van het gedempte luidsprekersysteem is dat niet nodig, omdat het hoofdaandeel van de resonantieveroorzakende effecten, de luidspreker, gedempt is. De wanden van deze kast zijn gemaakt van 22 mm spaanplaat. Dit materiaal is zeer stijf, de afmetingen van de wanden zijn niet groot en zullen daardoor niet of weinig trillen. De kast is 60 cm hoog, 40 cm breed en 30 cm diep. Aan de voorkant kun je de vier belangrijke akoestische onderdelen zien, waaruit de kast is opgebouwd.
Frequentiekarakteristiek van een gedempt luidsprekersysteem rechts|600px|Frequentie karakteristiek gedempt luidspreker systeem De frequentiekarakteristiek is in een dode kamer gemeten m.b.v. geluidsspectrumanalyseapparatuur van Brüel&Kjær. - verticaal, het geluidsniveau in dB - horizontaal, de frequentie in Hz. Voor wat betreft de verticale as van de opgenomen frequentie karakteristiek; de meest linkse as (0-10-20-30-40-50) is de geldende schaal.
Wat opvalt is het eerste-ordegedrag van het luidsprekersysteem. Het geluidsniveau neemt 6 dB per octaaf af bij ongeveer 200 Hz. Door de dempingsweerstand is ook de resonantiefrequentie niet als piek in de karakteristiek te zien. Dit komt precies overeen met de stralingsimpedantie, die lineair afneemt als de golflengte van het weer te geven geluid groter wordt dan de omtrek van de luidsprekerconus.
Als de straal van conus, = 15 cm, dan is de golflengte, die nog net binnen de omtrek van de luidsprekerconus past: meter. De kantelfrequentie, waarbij de stralingsimpedantie nog net niet afneemt: waarin de geluidssnelheid in lucht is 340 meter per seconde. de golfllengte van dan wordt de kantelfrequentie, waarbij de stralingsimpedantie afneemt In de frequentiekarakteristiek is tussen 300 en 400 Hz een bobbel te zien, waarna het afgestraalde geluidsniveau afneemt.
Discussie De frequentiekarakteristiek valt bij de middenlage frequentieband reeds af.
Door de luidsprekerboxen in de hoek van de kamer te plaatsen, wordt de laagweergave opgehaald en ook met de toonregeling kan het e.e.a. licht worden gecorrigeerd. Door de langzame daling van de frequentiekarakteristiek is dit effect met minimale stapjes goed te corrigeren.
Om dit type luidsprekersysteem te vergelijken met een gesloten luidsprekerbox of met een basreflexsysteem, zou een identieke lagetonenluidspreker in deze twee systemen gemonteerd moeten worden. Maar ook zonder dat experiment kan het volgende worden vastgesteld: In beide behuizingen is de resonerende luidspreker mede bepalend voor de klank van het geluid. Hetgeen meestal resulteert in het zogenaamde 'boemen'. De gesloten luidsprekerbox heeft nog als nadeel dat het kastvolume ruim gekozen moet worden, om de luidspreker zijn grote uitslagen te kunnen laten maken. Het gedempte luidsprekersysteem is nooit bij Philips in productie genomen. Het systeem is qua bouw en montage veel bewerkelijker dan de klassieke luidsprekersystemen. Met name het aanbrengen van de dempingsweerstand op de conusdrager is een secuur, tijdrovend werkje.
Philips zou medio jaren zeventig met een ander revolutionair ontwerp, om met relatief kleine luidsprekerboxen een goede laagweergave te realiseren, op de markt komen, namelijk het Motional Feedback-systeem (MFB).
Theorie en berekeningen De afgeleide formules en de berekeningen zijn gebaseerd op het artikel Omzettertheorie toegepast in de elektro-akoestiek.
Luidspreker als E-M-omzetter thumb|Diagram van elektromagnetische omzetter De luidspreker kan als een elektrodynamische omzetter worden beschouwd. Een elektrodynamische omzetter zet de elektrische energie om in mechanische energie, door beweging van een elektrische stroom door en geleider in een statisch magnetisch veld.
waarin: {| | || de ontwikkelde kracht in newton (N) |- | || de fluxdichtheid in Vs/m² |- | || de totale lengte van de geleider in meter (m) |- | || de stroom in ampere (A) |- | || de spanning in volt (V) |- | || de snelheid in m/s
Uit de bovenstaande betrekkingen kan de impedantie, gezien aan de elektrische zijde van E-M-omzetter berekenen.
De impedantie
Omdat , de mechanische impedantie in , volgt met de eenheid V/A = Ω Om een mechanische impedantie naar een elektrische impedantie om te zetten is de omzetfactor vereist.