Tools for the professional development of horn loudspeakers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Michael Makarski

Michael Makarski

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 33
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

TOOLS FOR THE PROFESSIONAL DEVELOPMENT OF
HORN LOUDSPEAKERS
Von der Fakulät für Elektrotechnik und Informationstechnik der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Michael Makarski
aus Mainz
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Michael Vorländer
Universitätsprofessor Dr.-Ing. Bernhard Rembold
Tag der mündlichen Prüfung: 20. April 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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c Copyright Logos Verlag Berlin 2006
Alle Rechte vorbehalten.
ISBN 3-8325-1280-2
Logos Verlag Berlin
Comeniushof, Gubener Str. 47,
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Fax: [phone]
INTERNET: http://www.logos-verlag.deContents
Abstract - Zusammenfassung vii
1 Introduction 1
2 Basic Principles of a Horn Driver - Horn Combination 7
2.1 Horn Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Horn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Discussion on Driver Modelling and Horn Calculations . . . . . . . . . . . 16
3 Investigation of the Interface between Horn Driver and Horn 19
3.1 Scanning of Pressure and Velocity Profile at the Driver’s Mouth . . . . . . 20
3.1.1 Measurement Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.2 Velocity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Mesh Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Modal Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Theoretical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Decomposition Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Discussion of the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Separation of Horn Driver and Horn 41
4.1 Full Cross Modal Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Simplified Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 How many Modes should be considered? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Determination of the Horn Parameters 53
5.1 BEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Calculation of the Modal Data Set for the Horn . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.1 Simulation of the Modal Surface Pressure Distribution . . . . . . . 56
5.2.2 Calculation of the Modal Throat Impedance Matrix from the Modal
Surface Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.3 Calculation of Modal Transfer Impedance Vectors . . . . . . . . . 66
6 Determination of the Driver Parameters 71
6.1 Fundamental Mode Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.1 Definitions and Reciprocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.2 Basic Considerations for the Measurement of the Fundamental
Mode Model’s Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
iii6.1.3 Method I - Using Two Different Drivers . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.1.4 Method II - Using Two Identical Drivers . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.5 Some Application Examples for the Fundamental Mode Model . . . 83
6.1.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7 Simulation of Nonlinear Properties 89
7.1 Nonlinear Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2 Calculation of Harmonic Distortion in Horns . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.3 Calculation of the Maximum Sound Pressure Level . . . . . . . . . . . . . 94
7.3.1 Horn Related Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3.2 Driver Related Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Measurements and Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8 Professional Development of Loudspeakers 105
8.1 Horn Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.1.1 Development of the Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.1.2 Nonlinear Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.2 Investigation of Horn Drivers and Properties of the Coupled System
Driver/Horn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.2.1 Linear Properties Based on Fundamental Mode Two-port Measure-
ments and Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2.2 Investigation of the Higher Order Mode Influence . . . . . . . . . . 118
8.2.3 Simulation of the Max-SPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.3 Final Conclusions and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.3.1 Measurements of the Combination Driver B/Horn 10hr . . . . . . . 124
9 Summary 127
10 Kurzfassung 133
10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
10.2 Funktionsweise einer Horntreiber/Horn-Kombination . . . . . . . . . . . . 134
10.3 Experimentelle Untersuchung der Schnittstelle von Horntreiber und Horn . 134
10.4 Beschreibung der Schnittstelle von Horntreiber und Horn . . . . . . . . . . 135
10.5 Bestimmung der Parameter für das Horn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.6 Bestimmung der Parameter für den Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.7 Simulation von nichtlinearen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.8 Professionelle Entwicklung von Hornlautsprechern . . . . . . . . . . . . . 138
10.9 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A Glossary 141
B Discretised Decomposition 144
C Solution of the System of Equations using Method I, page 76 146
D Solution of the System of Equations using Method II, page 80 148
ivE Nonlinear wave equation 149
E.1 Second order equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Danksagung 153
Lebenslauf 154
Bibliography 155
vviAbstract – Zusammenfassung
Abstract
This thesis deals with methods for the professional development of horn loudspeakers. The
basic idea is to separately describe the acoustic source (horn driver) and the device to guide
the wave (horn or wave guide). The separate description of both systems allows one to
freely combine the data of any driver and horn which yields an enormous flexibility when
developing new driver/horn combinations.
At first, it is investigated by measurements which properties of the sound wave can
be found at the common interface between driver and horn. Different driver/horn com-
binations are analysed by decomposing the pressure and velocity profiles into orthogonal
eigenfunctions.
Based on the practical measurement results, several modal models for the interface are
derived. On the one hand, the models must be capable to describe the three-dimensional
properties of the sound wave at the interface. On the other hand, it must be possible to
measure or calculate the model’s parameters in practice.
Then, it is described how the modal horn parameters are calculated using numerical
methods (Boundary Element Method) combined with modal excitation and decomposition.
The driver’s parameters are acquired using a particular measurement technique.
Additionally to the linear modal modelling, a method to calculate harmonic distortion
in horn loudspeaker is developed and verified.
Finally, it is demonstrated how to use the methods in practice. A complete development
process of a horn loudspeaker is described and the results are verified by measurements.
The practical relevance of the methods results not only from the high accuracy, but also
from the effective application when developing horn loudspeakers.
viiZusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden zur professionellen Entwicklung von Horn-
lautsprechern hergeleitet, verifiziert und in zahlreichen praktischen Messungen und An-
wendungsbeispielen erprobt. Grundidee der beschriebenen Methoden ist eine konsequente
Trennung zwischen Schallquelle (Horntreiber) und Schallführung (Horn). Die Auftrennung
an einer gemeinsamen Schnittstelle erlaubt es, Datensätze verschiedener Treiber und Hör-
ner frei zu kombinieren, wodurch ein Höchstmaß an Effektivität und Flexibilität bei der
Entwicklung neuer Lautsprechersysteme erreicht wird.
Es wird zunächst mit Hilfe von Messungen an verschiedenen Horntreiber/Horn-
kombinationen untersucht, welche Eigenschaften die sich in der gemeinsamen Schnittstelle
ausbreitende Schallwelle besitzt und wie die Rückwirkung der Schallführung auf die einge-
prägte Wellenform zu bewerten ist. Die Analyse der gemessenen Schallfelder erfolgt durch
eine modale Zerlegung in orthogonale Eigenfunktionen.
Basierend auf diesen Ergebnissen werden modale Modelle mit unterschiedlicher An-
zahl von Freiheitsgraden hergeleitet. Ziel