Prototype 1 : peerless XLS 10

Sommaire
Prototype 1 (Peerless XLS)
1 Electronique
1.1 Schéma fonctionnel du circuit
2 Calcul
3 Mesures
4 Réponse en fréquence
5 Réponse impulsionnelle
6 Distorsion harmonique (harmonique par harmonique)
6.1 -6 dBFS (93 dB SPL)
6.2 -12 dBFS (87 dB SPL)
6.3 -18 dBFS (81 dB SPL)
7 Interprétation des mesures

Ce prototype est basé sur un haut-parleur XLS de 10 pouces de chez Peerless, il a été choisi pour les raisons suivantes :

- Une grande excursion linéaire (+- 12.5 mm).

- Une bobine de grand diamètre (51 mm). Ce qui permet d'avoir beaucoup de place pour l'installation du condensateur de mesure.

- Une membrane lourde (135.3 grammes). Un petite masse ajoutée ne changera guère les caractéristiques.

- Un moteur puissant (17.5 N/A).

- La bobine et le cône sont attachées avec des boulons à l'aimant (facile à modifier sans risque d'endommager le haut-parleur).

- C'est un haut-parleur bien connu.

Le volume du caisson est de 28 litres. Il est fait avec des plaques de 25 mm d'épaisseur. Le caisson est un cube de 35.5 cm de côté. Toute l'éléctronique est en dehors du caisson.

Le support de la bobine est en aluminium. Ce qui forme un blindage entre les parasites extérieurs et le condensateur de mesure. La surface extérieure du condensateur de mesure est faite d'une feuille d'aluminium de 0.1 mm d'épaisseur, qui est isolée du support de la bobine par une feuille de nomex de 0.13 mm d'épaisseur. Le diamètre de la surface externe est ainsi environ de 51 mm. La surface interne du condensateur de mesure est fait d'un anneau d'aluminium de 46 mm de diamètre, percé en son centre d'un trou de 20 mm. La surface externe du condensateur de mesure est connecté à une tension d'environ 1200 V.

1) Electronique :

L'éléectronique est faite à partir d'amplificateurs opérationnels standards (TL074 et NE5532). Ci-dessous le circuit principal :

En plus du circuit ci-dessus, il y a les alimentations, l'amplificateur de puissance, et un générateur de haute tension (1200 V), fait à partir d'un simple multiplicateur de puissance de Cockroff-Walton (ce circuit ne consomme pas de courant, hormis quelques courants de fuite).

Description du circuit fonctionnel :

Le signal provenant de la surface interne du condensateur est connectée à la broche "COND" du circuit (par environ 0,5 mètres de câble coaxial). Le convertisseur courant-tension IC8B génère un signal de sortie proportionnel à la vitesse de la membrane. Le signal audio est lui amené par l'intégrateur/passe-haut construit autour de IC8C. La sortie de cet amplificateur est alors proportionnelle à la vitesse désirée de la membrane à tout instant.

Ces deux signaux sont alors sommé (ou différenciés dans le cas présent) par l'amplificateur IC8A. Le gain de la boucle de rétroaction peut-être ajoutée par le potentiomètre R54. La sortie de cet amplificateur passe dans un filtre de linkwitz bati autour de l'amplificateur IC8D qui étant la réponse en basses fréquences du système et permet ainsi plus de gain pour la boucle de contre réaction aux basses fréquences. Un filtre passe-bas double (quatrième ordre, -80 dB/déc), bati autour des IC14A&B est inséré entre le signal et l'amplificateur de puissance afin de diminuer le bruit hautes fréquences. Il n'est pas fondamentalement nécessaire, mais dans la pratique, si. Ici, seul le premier étage à été utilisé, avec une fréquence de coupure d'environ 1600 Hz, et un facteur de qualité Q d'environ 0.7.

Le signal de sortie "AMPIN+" est injecté dans l'amplificateur de puissance basé sur deux TDA7294 (des amplificateurs intégrés) bridgés, l'amplification total est de 7 (17 dB).

2) Calculs :

Capacité du condensateur de mesure par unité de longueur (formule 2):

La tension de sortie du circuit de mesure (IC8B) (formule 7), quand la fréquence est de 20 hertz et l'excursion de +-12.5 mm :

Avec comme SPL (à 1 mètre, espace entier (pas contre un mur ou sur le sol)) est de (formule 8) :

Quand il est établi que la tension est directement proportionnelle à la pression sonore absolue et inversement proportionnel à la fréquence, on peut en tirer une formule qui prend en compte la pression acoustique et la fréquence :

Dans le tableau suivant, on voie la tension (en volts) calculée à partir de la formule 9 pour différentes fréquences et pressions acoustiques :

3) Mesures :

Les mesures ont été effectuées avec l'asservissement actif (abréviation MFB (motional FeedBack)) et inactif (abréviation noMFB), dans ce dernier cas, le signal passait dans le filtre de linkwitz (IC8D). Quelques mesures ont été aussi effectué en boucle ouverte (avec le condensateur de mesure débranché).

Le microphone de mesure était un béhringer ECM-8000, la carte son une M-audio MobilePre USB. Le programme utilisé était Speaker Workshop V 1.06. La distorsion harmonique a été mesuré avec une analyse FFT et un générateur de signal, les deux à partir de l'ordinateur.

Les mesures on été faite dans un salon normal par la méthode champ proche. Ci-dessous un schéma des mesures :

4) Réponses en fréquences :

Noir : réponse avec l'asservissement actif,

Bleu : sans asservissement,

Rouge : en boucle ouverte (asservissement actif mais condensateur de mesure débranché).

Graphe 1 : réponse en fréquence de 10Hz à 2 kHz.

La même chose, mais avec un zoom entre 20 et 200 hertz :

Graphe 2 : réponse en fréquence de 20Hz à 200 Hz.

5) Réponses impulsionnelles :

Noir :avec asservissement,

Rouge : sans asservissement.

Graphe 3 : Réponse impulsionnelle

La résonance du cône peut-être clairement vue sur ce graphique.

6) Distorsion harmonique et répartition :

La distorsion harmonique (THD) a été mesurée en utilisant un microphone à 10 cm du haut-parleur pour différents niveaux sonores. Les niveaux sonores indiqués (mesurés), sont ceux de la fréquence fondamentale. Les mesures de distorsion harmonique sont faites relativement au niveau de la fondamentale, en décibels. La distorsion est mesurée toutes les demi-ocatves de 20 à 320 Hz (quand cela est possible). les légères erreurs sur les fréquences mesurées sont causées par la méthode de mesure (les fréquences sont bien ajustées, donc les erreurs viennent de l'analyse FFT).

6)1) 93 dB SPL (-6 dBFS) :

Les mesures à 20 Hz n'étaient pas possibles, car l'excursion était trop grande.

6)2) 87 dB SPL (-12 dBFS) :

A ce niveau sonore, l'excursion était à son maximum à 20 hertz (12.5 mm de part et d'autre de la position de repos) :

6)3) 81 dB SPL (-18 dBFS) :

7) Interprétation des mesures :

On peut constater que la réponse en fréquence du haut-parleur est beaucoup plus plate quand il est asservi que lorsqu'il passe juste dans le filtre de linkwitz. La distorsion harmonique est, aux plus basses fréquences (20 Hz), environ divisée par deux. On peut voir une légère augmentation aux environ de 100 Hz (avec une fondamentale de 20 Hz) due aux composants, mais elle reste 50 dB en dessous de la fondamentale, elle peut donc être considérée comme négligeable.

Il est aussi possible de diminuer la THD aux plus basses fréquences d'environ un cinquième en augmentant le gain de la boucle d'asservisement, mais cela cause une augmentation de la distorsion au plus hautes fréquences. La distorsion harmonique pour des fondamentales plus grave va aussi montrer une augmentation des harmoniques de plus hautes fréquences, probablement due à un retard de phase aux hautes fréquences.

Introduction Principe Prototype 1 : peerless XLS 10 Photos