ACOUS'TIPS #03 - Hoe de poort van een bass-reflex behuizing optimaliseren?

De reproductie van lage frequenties (onder 100 Hz) is altijd al onderwerp geweest van specifiek onderzoek in de audiowereld. Het genereren van akoestische golven met lage frequenties vereist immers het verplaatsen van veel lucht, met behulp van een luidspreker met lange excursie of grote afmetingen.

Er zijn talrijke methoden gevonden om de reproductie-efficiëntie te verhogen en de afmetingen van de systemen te beperken (men spreekt van akoestische belasting om de omgeving aan te duiden waarin de luidspreker straalt). Onder andere: bandpass belastingen, hoorns, transmissielijnen... en vooral, de meest gebruikte, de zogenaamde bass-reflex belasting.

De bass-reflex

De bass-reflex is de meest verspreide belasting, die men terugvindt in alle soorten systemen, in hi-fi zowel als in geluidsversterking, van instapniveau tot zeer hoogwaardig. Ze maakt het mogelijk de frequentierespons van een luidspreker in de lage tonen uit te breiden, zonder de thermische en mechanische capaciteiten te veel te belasten. Het principe is eenvoudig: het is hetzelfde als een bierfles die resoneert op een bepaalde frequentie wanneer men erin blaast, dit is de Helmholtz-resonantie, waarvan de frequentie afhangt van het volume van de holte en de lengte en oppervlakte van de hals van de fles (technisch de poort genoemd), volgens de formule: f = c/2pi x sqrt(A/(V*L)), waarbij "c" de geluidssnelheid is, "A" het oppervlak van de poort, "L" de lengte ervan en "V" het volume van de holte.

Bij de afstemfrequentie van de poort trilt de luidspreker zeer weinig, en is het de lucht in de holte die trilt en via de poort straalt.

Een bass-reflex goed afstemmen is niet altijd eenvoudig, en de resultaten zijn soms weinig overtuigend: een overdreven laagfrequente respons die resulteert in een onaangenaam "tonnetjes"-effect is het typische resultaat van een slecht afgestemde bass-reflex. Een goed afgestemde bass-reflex zorgt daarentegen voor een heldere, diepe respons in een beperkt volume.

Niet-lineariteit van lucht

Maar niet alles is zo eenvoudig. Een bass-reflex goed afstemmen is een eerste stap, maar er is meer. De druk in de poort kan zeer hoog zijn, wat leidt tot een zeer hoge verplaatsingssnelheid van de lucht, en een niet-lineair gedrag van deze lucht. In tegenstelling tot de lineaire respons zijn niet-lineaire effecten complex en vaak contra-intuïtief, en vereisen ze het gebruik van complexe wiskundige modellen, zoals de eindige-elementenmethode (FEM), om visco-thermische akoestische verschijnselen te beschrijven.

Maar vooral deze niet-lineaire verschijnselen, doorgaans vanaf 145 dB SPL, veroorzaken grote problemen bij geluidsreproductie. Het bekendste hiervan is stromingsgeluid: de lucht in de poort creëert hoorbaar geluid dat het luisteren hindert. Er bestaan nog andere verschijnselen, en we zullen er één in het bijzonder bespreken: compressie.

In eerste benadering is een audiosysteem lineair: dat wil zeggen dat de gegenereerde geluidsdruk evenredig is met de elektrische spanning over de klemmen van de luidspreker. Dit klopt tot een bepaalde spanning, maar bij hoge niveaus geldt de evenredigheidsrelatie niet meer: de gegenereerde geluidsdruk stijgt minder snel dan de ingangsspanning, waardoor elektrisch vermogen wordt verspild en er vervorming ontstaat.

Turbulentie beperken

De hoge druk en de hoge luchtsnelheid in de poort zijn immers bronnen van problemen, in het bijzonder wervelingen die akoestische energie afvoeren zonder geluidsgolven te creëren. Men zegt dan dat de stroming niet langer laminair maar turbulent is. Dit resulteert in een compressie die aanzienlijk kan zijn, in de orde van meerdere decibels. In het gegeven voorbeeld genereert de rechthoekige poort, bij een elektrisch vermogen van 50 Watt, bijna 30% minder druk dan de polynomiale poort.

Om dit fenomeen tegen te gaan, heeft Pikip twee strategieën gekozen: de eerste bestaat erin een lage deeltjessnelheid te behouden, door zeer brede poorten te verkiezen, wat resulteert in zeer laag, volledig onhoorbaar stromingsgeluid.

Bovendien zijn de Pikip poorten geen eenvoudige rechthoekige poorten zoals vaak gezien, maar hebben ze een bol profiel (waarvan de curve polynomiaal is) dat het mogelijk maakt om de inertiële scheiding van de grenslagen, dat wil zeggen het ontstaan van wervelingen, sterk te verminderen.

Dit alles vereist grote zorgvuldigheid bij het ontwerp en de optimalisatie, via geavanceerde simulaties en nauwkeurige prototyping, en de resultaten zijn opmerkelijk: zeer lage compressie en vervorming, dat wil zeggen een identieke frequentierespons en klanksignatuur ongeacht het luisterniveau, en een rendement dat niet daalt bij hoog vermogen. Men wint dus zowel aan reproductiekwaliteit als aan autonomie!