Het Skin effekt [noot 1] ontstaat doordat een wisselstroom in een geleider een magnetisch veld opwekt. Door het opgewekte veld wordt de stroom door die geleider naar 'buiten' gedrukt, waardoor de stroom aan de buitenzijde van die geleider gaat lopen. De mate van naar 'buiten' drukken wordt bepaalt door de frequentie van de wisselstroom. Dus het skin-effect zorgt ervoor dat hoge frequenties voornamelijk aan de buitenzijde van de geleider gaan lopen. Het gevolg van het skin effekt is dat de effectieve oppervlakte (draad doorsnede) kan afnemen (bij die hoge frequenties) omdat de stroom niet meer de hele doorsnede gebruikt.
Praktisch betekent het dat bij hoge frequenties een soort maximale draad doorsnede hoort, een grotere diameter heeft dan weinig zin meer omdat de effectieve diameter begrensd is door het skin-effect (geen stroom voerd).
Omgekeerd betekent dit ook dat een te dunne geleider en/of een te hoge frequentie voor die geleider ook meer weerstand gaat geven. Of dit van invloed is in het systeem hangt af van meerdere factoren zoals in- uitgangsimpedantie, frequentie en draaddoorsnede. Dit betekent niet dat een grotere draaddoorsnede per definitie slechter is, er kan bij hoge frequenties
relatief meer weerstand optreden, omdat het skin-effect vanwege de indring diepte hier relatief gezien
eerder invloed geeft.
De formule voor het skin effekt is: q = c / (F)½
Waarin: F = frequentie, c = een konstante gebaseerd op de relatieve permeabiliteit en de soortelijke geleiding van het materiaal en q = skin diepte in m.
Voor koper geldt: c = 0,0673; voor zilver: c = 0,0642.
Er wordt algemeen aangenomen dat 4q (4x de skin diepte) alle stroom voert. Voorbeeld:
Door een koperdraad met een diameter van 1,8mm (= 2,5mm²) gaat een signaal van 40kHz, de skin diepte wordt dan:
q = 0,0673 / (40000)½ = 0,0003365 = 0,3365mm
Hieruit volgt een praktische skin waarde van 4q = 1,346mm, of anders gezegd: bij 40kHz is de effectieve diameter teruggegaan van 1,8mm naar 1,35mm door het skin-effect.
In het volgende voorbeeld [noot 2] is zichtbaar wat en hoe het skin effect invloed heeft op de effectieve diameter. Zie het rekenvoorbeeld voor een 2 aderig snoer van 2,5mm^2 en 6 meter lang' in dit pdf bestand 2aderig_skin-lssnoer.
Uit dit rekenvoorbeeld blijkt dat bij 40kHz en een draad doorsnede van 1,8mm de impedantie als gevolg van het skin-effect met nog geen 0,1 Ohm is toegenomen. Verwaarloosbaar dus! De totale impedantie bij 40kHz is 1,2 Ohm, hieruit blijkt dat het effect niet alleen zeer klein is maar ook volledig in het niet valt bij andere (= inductieve) effecten die optreden. Deze draad zou gebruikt kunnen worden als luidspreker snoer, het maximale effect bij 4 Ohm luidsprekers is dan (0,5 op 4 Ohm) 12% ofwel 0,55dB. Bij 8 Ohm luidsprekers is het maximale effect (0,5 op 8 Ohm) 6% ofwel 0,3dB! Het effect voor signaalkabels (diameter bv 0,5mm) is ook laag, ongeveer 1 Ohm bij 40kHz. Dit wordt gebruikt tussen de (voor)versterker en de (cd/mc/dvd)speler met in/uitgangsimpedanties van minstens honderden Ohms, het effect is hierop (0,5 op meer dan 200 Ohm) minder dan 0,25% ofwel minder dan 0,01dB!
Een draad verzilveren heeft nauwelijkseffect op het skin effect, het skin-effect is (bijna) gelijk voor koper en zilver, alleen zal de
ohmse weerstand een fractie lager zijn omdat zilver iets beter geleid.
Ook het gebruik van coax heeft geen invloed op het skin-effect, alleen het materiaal soort en de diameter speelt een rol, niet de geometrie van de kabel.
Een methode die wel een positieve invloed heeft, is gebruikt van Litze draad: meerdere geïsoleerde aders parallel en die onderling twisten. Maar dan nog, gezien de mate waarin er (ongewenste) demping optreed is het 'nutteloos' om hier veel moeite en tijd (en geld!) in te steken.
Samengevat: [noot 2]
correcties om het skin effect te 'verhelpen' in de audio zijn zinloos, er worden alleen marginale verbeteringen bereikt: er zijn andere factoren in het systeem die de skin effecten met
minstens een factor 10 maskeren (oa. de zelfinductie) en daarnaast is het menselijk gehoor
niet in staat om verschillen van 0,5dB of kleiner waar te nemen bij deze hoge frequenties.
Een van de meest in het oog springende verschillen is dat een passief filter tussen de versterker en de luidspreker zit, terwijl een actief filter voor de eindversterker aanwezig is.
Hieronder een korte opsomming van de voordelen en nadelen van actieve filtering ten opzichte van passieve filters:
+ Ongevoelig voor variatie in belasting (varierende impedantie)
+ Heeft geen vermogensverlies of last van niet lineaire eigenschappen ten opzichte van spoelen (hogere zelfinducties)
+ Heft bijna alle nadelen op die het gevolg zijn door zelfopwarming in componenten en de luidsprekerspoel (bij hogere vermogens)
+ Eenvoudig toepasbaar voor zowel Bi- of Tri-Amping (geeft lagere vervorming)
+ Simpel af te stemmen op een kantelfrequentie zonder rekening te hoeven houden met specifieke speaker eigenschappen
+ Eenvoudiger om de fase te corrigeren (fase verschillen nul houden)
+ Eenvoudiger om volume correcties door te voeren, ook eventueel niet lineair
- Is moeilijker te maken (print productie)
- Er zijn meerdere versterkers benodigd
- Is beduidend duurder (mede doordat er meerdere versterkers nodig zijn),
- Moeilijker om achteraf correctie(s) uit te voeren
In algemene zin samengevat levert actieve filtering veel voordelen op. Over het algemeen is het wat moeilijker te maken en is het een stuk duurder.
Maar, puur technisch en kwalitatief gesproken geeft het een duidelijke verbetering in de nauwkeurigheid van de weergave en daarmee zeker de moeite waard.
Welke spoelen of condensatoren er gebruikt mogen c.q. moeten worden bij passieve filters is voor sommigen een omstreden onderwerp. Terwijl het in feite toch heel simpel is.
Bij een spoel is bijvoorbeeld naast zijn zelfinductie, voornamelijk de weerstand en de maximale stroom nog van belang. Een serieweerstand in de spoel levert een verlies op en kan het filtergedrag beinvloeden. De maximale stroom heeft gevolgen voor de draaddoorsnede (vermogen, weerstand) van de wikkelingen en het moment waarop een spoel met kern in verzadiging raakt.
Bij spoelen met een kern is daarnaast ook het soort kern materiaal van belang. Dit materiaal beperkt namelijk de (maximaal) bruikbare frequentie. Zo is ferriet (of afgeleiden ervan) als kernmateriaal ver te verkiezen boven trafoblik, niet alleen vanwege het veel betere frequentie bereik maar ook omdat ferriet geen last heeft van remanent magnetisme (vervorming).
Een keuze tussen een luchtspoel of een spoel met kern wordt meestal bepaalt door de grootte en de prijs ervan (in de audio tenminste). Zolang dezelfde eisen gesteld worden aan die spoelen is er een voorkeur voor een luchtspoel, en zal vanwege praktische overwegingen bij grotere zelfinducties bijna altijd een spoel met (ferriet)kern de voorkeur krijgen.
De betere soorten spoelen met kern zijn die met de naam 'ferrobar' of 'ferrocore'. Voor luchtspoelen maakt een bepaalt soort niet uit.
Spoelen die opgebouwd zijn uit draad wat onderling nog eens apart getwist is, zoals de bekende Tritec serie, voegt niets meer toe aan een goede doorsnee spoel in het audio bereik. Het genoemde voordeel zou zijn dat het skin-effect niet meer aanwezig is in deze spoelen, dit is echter totaal niet relevant omdat het nog steeds voldoet aan het doel van een spoel: dat bij hogere frequenties de weerstand hoger wordt. Buiten dat is het een feit dat de invloed van het skin-effect vele malen kleiner is dan de inductieve invloeden in het audio gebied. Anders zouden spoelen toch ook niet toepasbaar kunnen zijn bij HF-toepassingen waar de frequenties vele malen hoger zijn?
Samengevat geldt dat er een duidelijke voorkeur is voor luchtspoelen, bij (te) grote waarden heeft een spoel met een ferrietkern de voorkeur (Ferrobar) zolang deze maar niet in verzadiging raakt. In beide gevallen moet de dc weerstand van de spoel (zeer) laag zijn ten opzichte van de belasting.
Bij condensatoren zit het als volgt.
Hier is naast de capaciteit, voornamelijk de verliesfactor (tangens delta) en de impuls belastbaarheid belangrijk. Deze punten zijn min of meer te herleiden op het gebruikte dielektricum en de opbouw van de condensator. De voorkeur gaat uit naar een polypropyleen folie (MKP) of een polyester folie condensator (MKT) die beide op beide punten zeer goed presteren.
De veel geroemde tinfolie condensators presteren technisch inderdaad beter, dat zal ik zeker niet bestrijden, maar ten opzichte van een MKP/MKT condensator is dit verschil zo klein dat het niet/nauwelijks meetbaar is in het audio gebied, laat staan hoorbaar!
Dit geldt net zo voor condensators met een teflon coating of dielektricum, ze presteren vaak technisch net iets beter maar absoluut niet hoorbaar beter omdat ook hier de verschillen veel te klein zijn.
Aangezien de kostprijs van MKT en MKP ongeveer gelijk is en MKP iets beter presteerd, is er de voorkeur voor MKP. Wat wel af te raden is zijn de gewone elko's, deze zijn op langere termijn minder stabiel en zijn ook minder goed impuls-belastbaar. De bipolaire audio elko's zijn niets beter, voornamelijk alleen geschikt als parallel condensator bij Zobel of notch filters en niet geschikt om in serie met een luidspreker te zetten.
Ik weet dat er veel zelfbouwers zijn die 'zweren' bij een bepaalt merk of een bepaalt type, hier is m.i. de objectieve en technische benadering duidelijk onderschikt. Belangrijk is dat het component technisch/meetbaar goed presteerd; de verschillen zijn echt niet zo dramatisch zoals wel eens wordt gesuggereerd.
Zoals ook al eerder gezegd, de voorkeur heeft de MKP condensator, dit is de beste keus is voor wisselfilters.
Het is een nogal complex onderwerp, zeker als het gaat over audio en muziek omdat het nogal 'ontastbaar' is en moeilijk te meten. Bij de uitleg wordt er vanuit gegaan dat we alleen te maken hebben met audio signalen en één zuivere sinus toon.
Fase verschuiving kan worden gezien als een 'tijd'-verschuiving tussen 2 signalen met dezelfde frequentie die op het zelfde moment start en aankomt. Omdat een zuivere audio-toon een sinus signaal is, en 1 volledige periode 360' beslaat (als vector in een cirkel), wordt een fase verschil uitgedrukt in graden.
Als we een sinus nemen van 1kHz en we schuiven dit signaal 10% op in tijd, dan spreken we van een fase verschuiving van (1/10 x 360') 36'. Stel dat de fase verschuiving zo groot is dat deze meerdere perioden bedraagt, dan spreken we meestal over een looptijdverschil (totale tijdverschil) en een fase verschil (fase in de laatste periode).
We kunnen de vergelijking maken dat een fase verschuiving iets zegt over de positie in die periode.
Wanneer treed er nu een fase verschil op? In de audio komt het voornamelijk voor bij luidsprekers en bij filters.
Bij luidsprekers onstaat fase verschuiving door dat verschillende speakers dezelfde tonen weergeven. Omdat de afzonderlijke speakers elk hun eigen weergave karakteristieken en de daarbij horende fase verschuivingen hebben, zal er tussen de speakers onderling een fase-fout ontstaan.
Ook het feit dat sommige speakers verder naar voren of achteren zijn gemonteerd in de behuizing kan vertragingen en fase (tijd) verschillen geven.
Fase verschuiving treed ook op als de weergave karakteristiek niet vlak is, er is namelijk een verband is tussen de 'vlakheid' en de fase
.
Bij filters komt ook fase verschuiving voor, ook hier ontstaat het als gevolg van de amplitude karakteristiek. Deze karakteristiek zal afvallen in het filter gebied waardoor er een fase verschuiving optreed.
Deze fase verschuivingen zorgen ervoor dat de weergave in negatieve zin wordt beïnvloed. Het gehoor telt al de 'ontvangen' geluiden bij elkaar op, door de fase verschuiving zal er geen zuivere toon meer ontstaat maar een min of meer vervormde toon.
Bij elke frequentie die weergegeven wordt door de luidspreker hoort daarom een andere fase verschuiving, ofwel: elke frequentie krijgt een eigen tijdverschuiving.
De grote boosdoeners voor fase verschuiving zijn: (wissel)filters en luidsprekers. (dus
geen snoeren of iets dergelijks!)
Er moet wel rekening mee gehouden worden dat een fase-hoek in absolute zin niet zo veel kwaad kan (niet hoorbaar), maar de fase-verschuiving onderling bij signalen (relatieve fase-draaiing) wel van invloed kan zijn (hoorbaar worden) als deze maar groot genoeg is.
Om kort te zijn: uit de fase en de vertraging van een signaal bepaalt het gehoor van de mens onder andere uit welke richting het geluid komt. Wat betreft de productie van geluid kun je met fase verschuiving het geluid min of meer een bepaalde richting uitsturen.
Stel dat er een geluid komt wat zich links-voor je bevindt, dan hoort het linker oor het geluid 'eerder' dan het rechter oor (vertraging en fase). In de hersenen worden de signalen gecombineerd en verwerkt waardoor het richtinsgevoel ontstaat. Dit genoemde verschil is de fase verschuiving.
Als een luidspreker zelf een (ongewenste) fase verschuiving introduceerd, wordt de 'ruimtelijke' weergave van het geluid beïnvloed en soms zelfs in de war gebracht. Dit gebeurt doordat de 2 (of meer) afzonderlijke luidspreker units dezelfde frequentie met een andere fase gaan weergeven. Dit kan het volume wat wordt waargenomen veranderen en in combinatie met de akoustiek van de ruimte ook de ruimtelijke weergave beinvloeden.
Omdat elke frequentie een eigen fase verschuiving krijgt in de luidspreker, zal bij een toon die harmonischen bevat, vervorming kunnen optreden door de verschillende fase effecten. Omdat in de audio een zuivere toon bijna nooit voorkomt, maar altijd is op gebouwd uit meerdere tonen en harmonischen, zal het uiteindelijke gehoorde signaal geen correcte weergave meer zijn van het orgineel, de opname.
Hoe groot is nu het effect van fase verschuiving?
Dit is heel moeilijk te bepalen. Het effect is al moeilijk te meten, daarvoor is goede (en vaak dure) apparatuur voor nodig die o.a. het afstraal gedrag in kaart kan brengen (weergave rondom) en het gedrag van de luidsprekers gezien in tijd kan meten.
Daarnaast is de luisterruimte van invloed, reflecties tegen wanden geven zorgen ook voor looptijdverschillen.
Ook moet er rekening mee gehouden worden dat een fase-hoek in absolute zin niet zo veel kwaad kan (niet merkbaar), maar de fase verschuiving of de relatieve fase draaiing is wel van invloed (mogelijk hoorbaar).
Om aanpassingen te maken om fase verschuiving te corrigeren is meetapparatuur onontbeerlijk, is die niet in het bezit dan kun je overwegen om dit te laten meten bij een audio-specialist. Zonder meetapparatuur kun je alleen de theoretische eisen zo strikt mogelijk naleven.
Als je een luidspreker 'zomaar' bouwt zonder een goede achtergrond met berekeningen moet je niet raar opkijken als er onregelmatigheden tot 12dB in de rondom weergave optreden. Dit is mede een probleem wat optreed door fase fouten en het niet gebruiken van meet apparatuur.
Op zichzelf zijn fase verschillen nauwelijks hoorbaar, voornamelijk met tonen die veel harmonischen bevatten en als er ruimtelijke effecten in de audio zitten is het verschil sneller hoorbaar. Er zijn omstandigheden (getest met geselecteerde signalen) waarbij de grens lager ligt.
De praktisch merkbare invloed zal dan zijn dat bepaalde frequenties niet even luid worden weergegeven, het ruimtelijke effect en de diepte beleving zou kunnen verslechteren als de fase niet klopt. Dit is feitelijk een vervorming van signalen die door de volume verschillen optreed.
Maar vergis je niet, het kost veel inspanning om dit te bereiken, ook speelt de luisterruimte hierin een (kleinere) rol.
Het officiele effectieve vermogen is een berekening van de rms-waarde van de spanning en de nominale impedantie van de speaker ( Urms^2 / Znom). De bepaling van dit vermogen is vastgelegd in een IEC-norm en wordt ook wel omschreven als het IEC-vermogen.
Dit vermogen kan de luidspreker gedurende een langere tijd aan zonder dat deze daardoor defect raakt.
Er wordt ook wel eens de minimale waarde voor de impedantie genomen (dus Urms^2 / Zmin). Dit is echter niet gestandariseerd en is een afgeleide van wat de speaker thermisch maximaal aankan en wordt meestal het RMS vermogen genoemd.
Met muziekvermogen wordt (meestal) 2x het RMS vermogen bedoelt. En met piekvermogen weer 2x het muziekvermogen. Als voorbeeld: een speaker met een vermogen van 45Wrms heeft een muziek vermogen van 90W en een piekvermogen van 180W. Dit is een richtlijn hoe de vermogens zich verhouden, vaak worden muziekvermogen of het piekvermogen nog hoger vermeld dan in bovenstaand voorbeeld, echter dan is de relatie tussen die vermogens helemaal weg (en slaat nergens meer op).
Het belangrijkste is dus het effectieve of IEC vermogen, dit zegt iets over het vermogen wat de speaker aan kan zonder defect te raken, de rest wordt 'misbruikt' door de commercie om het produkt aantrekkelijker te maken.
Om te beginnen zijn er diverse vormen van trilling in luidsprekers en verschillende vormen van oplossingen om trillingen te dempen. Is het bedoeld om de buren te vriend te houden of om de luidspreker niet te laten 'lopen' over de vloer? Of heeft het iets te maken met de weergave kwaliteit? Als we het hebben over een trilling, hoe groot is deze dan? Ofwel hoeveel beweegt een luidspreker nu eigenlijk? Ook niet onbelangrijk: is een trilling wel hoorbaar?
Vragen genoeg. In grote lijnen kun je onderscheid maken in het reduceren van overlast voor derden en in het invloed hebben op de geluidskwaliteit.
Geluidsoverlast: de overlast voor derden kun je alleen maar beperken door de luidspreker te
ontkoppelen van de vloer. Dit ontkoppelen kan gebeuren door een materiaal wat de trilling absorbeerd en/of dempt tussen de luidspreker en de ondergrond te plaatsen. Dit materiaal is over het algemeen taai maar flexibel. Een goed voorbeeld is de geluidsisolatie plaat die vaak onder laminaatvloeren gelegd wordt.
Kwaliteit van het geluid verbeteren: is een delicaat onderwerp. Niet alleen vanwege 'meningen' die in de audio wereld rondgaan, maar het is ook een onderwerp waar geen eenduidig antwoord op te geven is. Er zijn veel omstandigheden die mede bepalen hoeveel invloed dit heeft, daarnaast is er de vraag in hoever het allemaal hoorbaar is. Een vaststaand feit is dat je trillingen nooit helemaal kunt voorkomen, je kunt wel proberen om ze zover te dempen of te verschuiven in frequentie dat invloeden verwaarloosbaar zijn/worden.
De grootte van een trilling is sterk afhankelijk van het volume, de kast constructie en eigenschappen van de driver. Normaal gesproken liggen invloeden in de orde van tienden van procenten (of lager), mits de luidspreker correct (trillingsarm) is ontworpen.
Voorbeelden van kast-resonanties door slecht gebouwde behuizingen zijn er in overvloed, de luidsprekers bij de micro- en mini-sets die voor enkele euro's te koop zijn stralen soms wel 10% van de energie af via de kast! Dat dit zeer ongewenst is hoeft verder geen uitleg neem ik aan.
Soorten van trilling zijn: trilling door een reactie kracht in de driver zelf; resonanties van de luidsprekerkast en reflecties van geluid in de luidsprekerkast (intern). Elk genoemd punt heeft een eigen aanpak nodig. Zo kunnen trillingen in een luidspreker driver het beste worden ontkoppeld, bijvoorbeeld door ze min of meer zwevend in foam, kit of band te monteren in de kast. Trillingen in de kast zelf kunnen het beste worden aangepakt door de behuizing te verstevigen
en te bekleden met absorberend materiaal. Reflecties in de kast worden sterk gedempt door de behuizing te vullen met absorberend materiaal zoals wol, lichte glaswol, pritex (een kunstof variant op wol) en dergelijke.
Er bestaat
geen universele oplossing die alle vormen van trilling opheft.
Er heerst een nogal hardnekkig misverstand dat de bekende 'spikes' de geluidskwaliteit
altijd zouden verbeteren, dit is echter meestal niet het geval! Een spike laat de luidsprekerkast mechanisch stabiel staan en zorgt er alleen voor dat de kast minder 'beweegt' ten opzichte van de ondergrond. Maar wat als bijvoorbeeld de ondergrond zelf verend is?
Een spike is daarmee 'alleen' toepasbaar als deze op een harde ondergrond uitkomt (zoals beton of steen) en het gewicht van de luidspreker relatief hoog is ten opzicht van de trilling.
Een betere oplossing is om ervoor te zorgen dat de trilling zo veel mogelijk gedempt wordt door de montage wijze van de luidspreker driver. Dit kan door de driver min of meer zwevend in foam, kit of band te monteren in de luidsprekerkast.
Het voorkomen is beter dan genezen, wat helaas hier niet altijd opgaat. Maar elk probleem moet afzonderlijk (!) en zo dicht mogelijk bij de bron aangepakt worden.
Hoorbare invloed door het gebruik of ontbreken van trillingsdemping is er wel degelijk, vooral kast resonanties kunnen hoorbaar zijn. Maar ik ben van mening dat een fatsoenlijk ontworpen luidspreker hier geen last van mag hebben.
Psycho-akoustiek is hoe een mens zich gedraagt (psyche) bij het horen, luisteren en interpreteren van spraak en muziek.Wat dit te maken heeft met muzikale verbeelding? Stel je maakt een aanpassing in de audio-keten om een verbetering te krijgen.Wat gebeurt er: je gaat je er psychisch op instellen om het te horen. Ooit gehoord van het 'placebo' effect?De effecten kun je onderverdelen in 2 punten.
Als eerste: door geconcentreerd te luisteren ga je dingen 'horen' waar je eerder niet op lette (omdat je niet zo geconcentreerd was). Zo ga je inderdaad nieuwe dingen horen in muziek die je anders niet hoorde, maar wat al wel in de muziek aanwezig was. Dit had je ook kunnen horen als je voorheen net zo geconcentreerd had geluisterd.
Als tweede punt: het verbeelden dat er iets nieuws te horen is. Als je langdurig muziek aanhoort met de gedachte 'dit klinkt beter', dan weet je na een poosje niet beter of het is ook zo (mede omdat je referentie vervaagt). Dus een luisterperiode heeft tot gevolg dat je gaat wennen aan een 'ander' geluidsbeeld. Het hoeft technisch niet eens beter te zijn, zolang je maar denkt dat het beter is! Na een poosje ben je al helemaal ingesteld op een 'andere' manier van luisteren. Maar wat was het nou, psychisch/ verbeelding of een werkelijke verandering?
Het is in ieder geval zeker dat verbeelding meespeelt in het beoordelen van muziek. Ik waag me niet aan schattingen over de mate van invloed (is trouwens ook verschillend per persoon), maar hou er rekening mee dat de invloed wel eens heel groot kan zijn!
Heb je vragen? Stuur een gerust een email.
Op de pagina contact vind je meer informatie en een contactformulier.
[1]: Hier wordt alleen het effect behandelt dat optreed in een geleider als gevolg van een frequentie en stroom door die geleider. Dit wordt anders als het gaat om het skin-effect wat optreed bij afscherming die externe invloeden (magnetische) moet dempen.
[2]: De hier vermelde gegevens hebben betrekking op enkele geteste kabels en snoeren. Bij andere typen/soorten snoeren kunnen uiteraard wat verschillen in uitkomst zijn, de strekking ervan blijft echter gelijk.
www.the-paradox.nl