Start Nieuws ESL-dagen Inhoud Weblinks

Project 07

 

Beschrijving Hybride Electrostatische Luidspreker ESL-RP1

Inhoud

  • Ontwerpcriteria

  • Het ESL-RP1 paneel

  • Elektronische componenten

  • Aanvullende bouwaanwijzingen

Ontwerpcriteria ESL-RP1

Het concept, het basisontwerp en de verdere detaillering zijn volgens onderstaande criteria tot stand gekomen:

Functionele eisen: (kwalitatieve omschrijving van de eisen)

  • Zo gemakkelijk mogelijk te bouwen
  • Zo gemakkelijk mogelijk na de bouwen
  • Robuuste en duurzame constructie
  • Zoveel mogelijk te bouwen met standaard verkrijgbare materialen
  • Huiskamer- en huisgenoten vriendelijke afmetingen
  • Zo hoog mogelijke geluidskwaliteit
  • Zo min mogelijk akoestisch richteffect over het gehele frequentiebereik
  • Aan te sturen met normale goede “consumenten” versterker
  • Redelijke bouwkosten

Prestatie eisen: (kwantitatieve omschrijving van de eisen)

  • Te bouwen met standaard handgereedschap, boormachine, decoupeerzaag, e.d.

  • Geen ingewikkelde constructies en bouwprocedures

  • Kunststof en metaal, geen hout (behalve behuizingen)

  • Materialen zoveel mogelijk verkrijgbaar bij bouwmarkten zoals Gamma en Karwei

  • Zo mogelijk niet breder dan 30 cm en niet hoger dan 180 cm

  • Moet beter klinken dan onze referenties: Tandberg Studio Monitor en “Fikier”-ESL

  • Akoestisch richteffect elimineren volgens Quad ESL-63 principe, liefst simpeler

  • Aan te sturen met een versterker van min. 2x50 Watt in de prijsklasse van max. Hfl 1500,-

  • Bouwkosten maximaal Hfl 1500,-

Technische invulling van de prestatie eisen:

Het akoestisch richteffect

Het grootste probleem was het elimineren van het akoestisch richteffect. Na vele luistersessies bij commerciële- en zelfbouw ESL’s bleek dit het meest voorkomende storende aspect. De Quad ESL-63 heeft zoals bekend een vernuftig maar duur systeem van een in concentrische oppervlakken verdeelde stator met vertragingslijnen bestaande uit 2x6 trafo’s met secundair “kortgesloten” wikkelingen en een RC netwerk voor verdere impedantie-aanpassing. Het nabouwen hiervan is niet haalbaar op grond van punt 1 en 2: te groot, te ingewikkeld en te duur. Daarbij wordt het laag niet altijd optimaal gevonden en zou een (sub)woofer voor sommigen dan ook wenselijk zijn, maar dit laatste is zeer persoonlijk.  

Een andere manier om een (geluids-)golf over een grote hoek af te stralen is het afstraaloppervlak klein te houden, d.w.z. een lengte en breedte die niet veel groter is dan de golflengte. Bij 20.000 Hz is de golflengte 1,7 cm. Het probleem is dan natuurlijk dat er moeilijk voldoende geluidsdruk gehaald kan worden, omdat bij een ESL het rendement per oppervlakte-eenheid veel kleiner is dan bij een gewone luidspreker (een tweeter van die afmetingen of kleiner is wel normaal). Maar gelukkig kunnen we een kunstgreep toepassen die de meeste ESL’s in beginsel reeds toepassen (ook die van E. Fikier): namelijk een smal en hoog afstraaloppervlak. Er ontstaat dan een relatief grote afstraalhoek in horizontale richting. Echter de breedte ervan is niet smal genoeg om ook de hoge frequenties over een grote hoek af te stralen. Veel zelfbouwers compenseren dit door de statoren op te delen in één of meer verticale segmenten die met weerstanden met elkaar verbonden worden. Er wordt doorgaans vanaf het middelste segment gevoed. Het opdelen in smalle hoge segmenten zorgt ervoor dat de afstraling met name in horizontale richting onder een grote hoek plaatsvindt, maar niet in verticale richting zoals bij de Quad ESL-63. Dit is voor normaal gebruik met een redelijk constante luister- (zit-) hoogte geen probleem. Een voordeel zou kunnen zijn dat er minder weerkaatsing via het plafond en (harde-)vloeren optreedt, iets wat bij de ESL-63 soms een probleem is.  

Het opdelen van de statoren in segmenten die met weerstanden met elkaar verbonden zijn vormt een belangrijk onderdeel van het ontwerp van de ESL-RP1. De statoren worden opgedeeld in een groter aantal verticale segmenten. Uiteindelijk worden deze samengevoegd tot een beperkt aantal secties (zie verderop bij de bouwbeschrijving). De middelste sectie bestaat uit 2 segmenten en wordt direct aangestuurd. De andere secties worden via weerstanden als volgt aangesloten:

 

De vier weerstanden RA (alle vier gelijke waarde) houden de hoge frequenties naar de vier buitenste secties tegen. Deze hoge frequenties worden dus alleen door de middelste sectie afgestraald. Als je d1 nu zo kiest dat de akoestische golflengte van de hoogst weer te geven frequentie fs1 waarbij volledig rondom afstraling is gewenst gelijk is aan de sectiebreedte d1 , dan zullen frequenties van 0 tot fs1 praktisch rondom afgestraald worden. Voor fs1 nemen we bijvoorbeeld 20.000 Hz. Vervolgens kiezen we voor RA een waarde zodanig dat fs2 bijvoorbeeld 10.000 Hz is. Bij 10.000 Hz is de golflengte twee keer hoog als bij 20.000 Hz, dus moet d2 twee keer zo groot zijn dan d1. Frequenties lager dan 10.000 Hz zullen dus over de breedte d2 rondom afgestraald worden. Vervolgens kiezen we voor RB een waarde zodanig dat fs3 bijvoorbeeld 5.000 Hz is. Bij 5.000 Hz is de golflengte twee keer zo hoog als bij 10.000 Hz, dus moet d3 twee keer zo groot zijn dan d2. Frequenties lager dan 5.000 Hz zullen dus over de volle ESL-breedte d3 rondom afgestraald worden. Hierbij mag de golflengte van de laagst weer te geven frequentie niet kleiner zijn dan d3. Is dit wel het geval dan moet de stator in meer dan 5 secties worden verdeeld. Dit systeem werkt niet met laagohmige (gemetalliseerde) membranen omdat dit “kortsluiting” tussen de secties geeft. Bij dit type ESL moet daarom beslist een hoog-ohmige membraan worden toegepast.

Berekening aan de ESL-RP1

De eerste stap is het berekenen van d1 t/m d3. Vervolgens bepalen we de capaciteit en de akoestische weerstand van de ESL (berekenen en/of meten) en kunnen we tenslotte RA , RB , RC , …… bepalen.

Elektrisch gezien ziet de ESL er als volgt uit:

Figuur 2.              Elektrische vervangschema van het concept van de ESL-RP1

Hier zijn C1 t/m C3 de capaciteiten van de secties en zijn RW1 t/m RW3 de akoestische weerstanden van de secties. De capaciteiten zijn eenvoudig te meten, maar voor de akoestische weerstanden ligt dat anders.

Theorie rondom de akoestische weerstand RW

(Uit deze alinea blijkt dat RW mogelijk verwaarloosd kan worden en is bedoeld voor de theoretici onder de lezers)

Algemeen geldt dat RW groter wordt bij toenemende frequentie. Maar hoe groot is deze weerstand? Het is theoretisch af te leiden door eerst de kracht te bereken die nodig om het membraan met bepaalde snelheid te verplaatsen. De plaats x van het membraan is: xmem = Umax,sec * sin (w t) * k(w) waarin k een frequentieafhankelijke constante is die de verplaatsing x als functie van de secundaire trafospanning Usec weergeeft. De snelheid van het membraan is vervolgens: vmem = dx/dt. Bekend zijn verder het oppervlak van het membraan en zijn weerstandscoëfficiënt (cw-waarde: cw @ 1). Daarmee kan de maximale kracht op het membraan Fmem,max = ½ rlucht cw Amem vmem,max worden berekend. Met de verplaatste massa (membraan + lucht) en de ladingverandering van de statoren dQ/dt kan tenslotte de akoestische weerstand berekend worden. Al met al geen eenvoudige zaak. Gelukkig kon RW eenvoudig afgeschat worden door de impedantie van een ESL volgens het ontwerp van E. Fikier te meten met en zonder ingeschakelde hoogspanning. De twee metingen gaven praktisch dezelfde curve, dus zou RW zeer hoog zijn en daarmee verwaarloosd kunnen worden.

Omdat de impedantie van de ESL behoorlijk laag wordt bij hoge frequenties is deze laatste conclusie mogelijk onjuist voor hoge frequenties. Voor het gemak heb ik dit echter toch maar gedaan. Tijdens luisterproeven bleek dat de berekende waarden voor RA t/m RC (de uiteindelijke versie kreeg 7 i.p.v. 5 secties) zeer goed bij de uiteindelijke empirisch bepaalde waarde te ligt.

Berekening van d1 t/m dx (x = (aantal secties –1) / 2  en oneven)

STAP 1                       Berekening van d1

Als we de maximale frequentie waarbij we nog een rondom afstralingspatroon willen hebben stellen op 20.000 Hz dan zou uit de formule c=f*l met c=345 m/s (voortplantingssnelheid van lucht) volgen dat l=d1=1,7 cm. Echter, deze sectie staat direct op de trafo en ondervindt dus veel minder extra demping t.g.v. van RW. Om geen te schel klinkende ESL te krijgen is het verstandig om de berekende waarde hier door Ö2 te delen. Dus: d1=1,7/Ö2=1,2 cm. Feitelijk hebben we hier een fS1 gebruikt van 28.000 Hz.

STAP 2                       Berekening van d2

Dit gaat analoog aan die van d1, alleen nu bij een fmax van 10.000 Hz. Dus: d2=345/10.000=3,5 cm.

STAP 3                       Berekening van d3

fmax van 5.000 Hz. Dus: d3=345/5.000=6,9 cm.

STAP 4            Berekening van d4

fmax van 2.500 Hz. Dus: d4=345/5.000=13,8 cm.

In principe zouden we nog verder door kunnen gaan met 1250 Hz, 625 Hz, enz. Maar dat heeft in dit geval geen nut. Namelijk, om een voldoende hoog ESL-rendement te bereiken werd gesteld dat de membraan-stator-afstand niet groter mocht zijn dan 1mm. Volgens paragraaf 4.5 van het boek “Elektrostatische luidsprekers” van E. Fikier mag dan de totale membraanbreedte niet groter zijn dan 10 cm.

De membraanbreedte

Uiteindelijk is gekozen voor een membraanbreedte van 11,5 cm en een statorbreedte van 10 cm. Om de stabiliteit te waarborgen wordt het membraan ter hoogte van de ribben waaraan de stator bevestigd is extra gedempt met 1 mm dikke dubbelzijdige tape. Dit heeft tevens het voordeel dat het membraan gedempt wordt bij zijn mechanische resonantiefrequentie. Deze was verwacht rond de 80 Hz uit te komen, maar bleek in de praktijk rond de 55 Hz te liggen, waarschijnlijk vanwege de extreem slappe ophanging van het membraan.  

De onderste frequentiegrens van de ESL

Verder is nu ook gekozen voor een cross-over frequentie van 250 Hz. Daaronder laten we het over aan een dynamische woofer in gesloten kast. De totale breedte van de ESL zal nu 15 à 17 cm zijn. Dat is een mooie maat voor een huiskamer-ESL.

De hoogte van het membraan

Nu moet er gekozen worden voor de hoogte van het membraan. Er is gekozen voor 1 meter. Dit is niet met berekeningen onderbouwd, maar gewoon gekozen omdat andere ESL-fabrikanten (o.a. Final) ook in die richting zitten. Dit heeft alles te maken met de maximaal haalbare geluidsdruk. Achteraf zou de ESL-RP1 ook iets kleiner gemaakt kunnen worden, zeker voor toepassingen in niet al te grote huiskamers. Hoe kleiner het oppervlak, hoe beter het stereobeeld en de plaatsing.

Berekening van de weerstanden RA t/m Rxx (xx = (aantal secties –1) / 2  en oneven)

Dit kan pas gebeuren als het ESL-paneel gebouwd is en de capaciteiten gemeten zijn. Indien de ESL-RP1 exact nagebouwd wordt dan is de capaciteit 320 pF voor de hele ESL (gemeten tussen de statoren). Omdat er voor 16 segmenten is gekozen (dan komen de berekende sectiebreedten d1 t/m d3 het beste uit) betekent dit 40 pF per segment. Ieder segment is 6,25 mm breed.

STAP 1                       berekening van RA

De eerste sectie moet een breedte d1=1,2 cm hebben. Die gaat dus bestaan uit 2 segmenten en wordt 1,25 cm breed. De tweede sectie met f max=10.000 Hz moet een breedte d2=3,5 cm hebben. Die gaat dus bestaan uit 2x4 segmenten (plus de eerste sectie) en wordt dus 3,75 cm breed. Elke sectie aangestuurd door RA bestaat dus uit twee segmenten. Voor de waarde van RA geldt de volgende formule:

De factor ½ staat in de teller van de breuk omdat C1 in serie staat met twee weerstanden RA. Uit bovenstaande formule volgt dus: RA=0,5/(2*pi*10.000*80E-12)=100 kW.

STAP 2                       berekening van RB

De derde sectie met f max=5.000 Hz moet een breedte d3=6,9 cm hebben. Die gaat dus bestaan uit 2x4 segmenten (plus de eerste en tweede sectie) en wordt dus 6,25 cm breed. Elke sectie aangestuurd door RB bestaat dus uit twee segmenten. Uit bovenstaande formule volgt dus: RB=0,5/(2*pi*5.000*80E-12)=200 kW.

STAP 3                       berekening van RC

De vierde sectie met f max=2.500 Hz moet een breedte d3=13,8 cm hebben. Er zijn echter nog maar 6 segmenten over en gaat daarom bestaan uit 2x3 segmenten (plus de eerste, tweede en derde sectie) en wordt dus 10 cm breed. Elke sectie aangestuurd door RC bestaat dus uit drie segmenten. Uit bovenstaande formule volgt dus: RC=0,5/(2*pi*2.500*120E-12)=260 kW.

Luisterproeven 

gaven aan dat de berekende waarden voor de weerstanden zeer goed in de buurt van de werkelijke waarde lagen. Tegelijkertijd is er een kleine wijziging aan het concept doorgevoerd. De corresponderende secties links en rechts van de middelste sectie zijn nu met elkaar verbonden en worden gevoed met 1 weerstand i.p.v. met 2 (Zie figuur 3). De weerstanden hebben daarom de helft van de berekende waarde (Nu dus: 50 kW, 100 kW en 130 kW). Dit vereenvoudigd de constructie een beetje, maar heeft als belangrijk voordeel dat de mechanische stabiliteit van het membraan verhoogd worden, omdat nu telkens twee secties elektrisch met elkaar verbonden zijn waardoor ze meer gedwongen worden dezelfde beweging te maken.

Na de luisterproeven werden de weerstanden tenslotte: RA=39 kW, RB=82 kW, RC=168 kW. Het beste is om hier 2 Watt metaalfilmweerstanden voor te gebruiken. Mogelijke oorzaken van de afwijking van de berekeningen zijn mogelijk de in de berekening verwaarloosde akoestische weerstand RW, maar ook de onderlinge beïnvloeding van de RC-netwerken.

Het ESL-RP1 paneel

Het ESL-paneel is opgebouwd uit twee ramen (de STATORHOUDERS) die uit een 6 mm dikke Trespa-plaat (Compactplaat) zijn gezaagd en waaraan de draadstatoren zijn bevestigd. Er zijn 10 openingen van 9x10 cm met ribben van 1 cm. De statorhouders worden op afstand gehouden door twee lagen PVC strips. Tussen die twee lagen zit de Mylar folie. Voor de draden van de stator worden boven en onder 32 gaatjes van 1,5 mm geboord. Iedere stator bestaat dus uit 32 draden. Telkens wordt met een draad van 230 cm een sectie opgebouwd door de draden van bovenaf door de drager te rijgen, waarbij  de einden onderaan aan elkaar getwist en gesoldeerd worden. Zo ontstaan er dus 16 elektrisch van elkaar gescheiden secties. De draden worden op de plaatsen waar ze tegen de dragen liggen met PU-lijm aan de dragen vastgezet.

Helaas kunnen niet alle tekeningen goed op deze pagina weergegeven worden.


Door: Robert Plat        E-mail: rmplat@yahoo.com         7 maart 2002
 

 


Start ] Omhoog ] esl-club@dds.nl

Webmaster:
   
Copyright © 2002 ESL-club           


Laatst bijgewerkt: 22 maart 2002