[Audio] Mätbox för Impedansmäting av högtalare och rum.

[pagge]

Det här projektet började med att en audiointresserad kompis ville ha hjälp med att mäta impedans på sina nybyggda högtalare. Min första tanke var att bara koppla ett shuntmotstånd i serie med högtalaren och mäte på bägge sidor om detta med oscilloskopet. Ganska tröttsamt att svepa över frekvens och rita i en graf, men det kanske hade kunnat gå för en enda högtalare. Projektet hade mest troligt kunnat slutföras på en eftermiddag (möjligen med tillhörande natt).

Men så enkelt kunde det inte sluta. Istället hittade polaren ett PC-program (http://www.fesb.hr/~mateljan/arta/) som använder ljudkortet för att göra samma sak jag tänkte göra med oscilloskopet. Fördelen är att man snabbt får trevliga grafer utan manuellt arbete (man kan ju arbeta hur länge som helst för att slippa arbete).

Eftersom man inte kan koppla högtalaren direkt till ljudkortet behövs en extern förstärkare, några motstånd och andra småprylar. Förslag på uppkoppling enligt ARTA var:


Det hade säkert funkat bra, men det känns lite besvärligt att ha en extern förstärkare. Blir många sladdar och man måste vara försiktig med polariteten på förstärkaren. Man skapar även en potentiellt störande jordloop (notera nödlösningen med 1K motståndet mellan förstärkar-jord och ljudkorts-jord.). Därför kom jag fram till att jag skulle göra boxen aktiv genom att integrera en chip-amp.

De resonanser vi vill mäta är ju väldigt stora och tydliga så jag ser inga speciella krav på audiofilt låg distortion. Därför föll valet på LM1875, en gammal hederlig välbeprövad chipamp som går på ganska låg spänning (16V, då de flesta chipampar vill ha minst 20V).

Här hade det vi kunnat vara nöjda ännu en gång, men några "tänk om man skulle..." senare så kom vi på att vi hade behov att att mäta upp hans lyssningsrum också. Eftersom ARTA mjukvaran redan stöder det så har vi ju ingen ursäkt att inte stödja inkoppling av mic. wm61a verkar vara en prisvärd mic som är omtyckt i DIY kretsar (http://www.johncon.com/john/wm61a/), så vi tänkte pröva med en sådan. Och ska man ha en mic så behöver man ju helst en bra mic-förstärkare. Det är ju trevligt att slippa sladdar och ha den inbyggd i boxen med, dessutom får man full koll på jordningen då.

Detta resonemang har lett fram till följande schema. Lite fascinerande hur lätt det är hänt att ett en sida sväller till fyra






Lite kort om schemat:

Nätdelen är en laptop-adapter på 20V vilket gör att man får ut knappa 5W@8hom ur förstärkaren. Där filtrerar jag så gott jag kan med ferriter och 3-terminals-kondensatorer för att få bort RF störningar och vanliga spolar och kondensatorer för LF.

För att slippa AC-koppla förstärkaren behöver jag +- spänning, så jag skapar en virtuell jord. Den virtuella jorden tål inte mycket ström, därför finns den andra LM1875 som i praktiken fungerar spänningsregulator för kraftjorden. Jag ville inte brygga då det skulle innebära att jag måste mäta differentiellt över högtalare och shuntmotstånd.

Micförstärkaren är en OPA1612 som har lägre brus och distortion än vad jag trodde var möjligt, hoppas jag inte lyckas sabba det för mycket . Den får linjärreglerad matning i varje fall. 30ohms motstånden fungerar som filter och skall förhoppningsvis dämpa störningar som annars skulle ledas ner i signaljorden via ingångsavkopplingen till regulatorerna.

Till microfonen tänkte jag använda sködad kabel med två ledare i. Skölden kopplas till stjärnjorden i boxen och går fram till, (utan att anslutas till) micen. De två innerledarna går till micen.

Alla jordarna är ihopkopplade med 0-ohms motstånd för att få stjärn-jord. 0-ohmarna skall sitta så nära varandra som möjligt, därifrån går jorden ut till de olika delarna.

Jag tar tacksamt emot alla förslag och kommentarer. Efter att ha funderat ett tag på hur alla jordströmmar går så känns huvet som köttfärs . Jag kommer nog inte att beställa prylar och börjar bygga på en vecka ännu, så alla fel ni hjälper mig att få bort innan dess är fel jag slipper få med i boxen.

[pagge]

Har lött ihop första versionen av kortet och testat. Ville inte koppla in mina dyra högtalare vid första testerna så jag har testat lite i labbet med ett mostånd och en PC-speaker.
Inga större missöden förutom att ARTA mjukvaran inte tycker om Windows 7 (får väl skylla mig själv som kör skräpet). Där hänger den sig eller spottar bara ut skräp vid frekvenssvep. Efter lite slitande i skägget testade jag på en XP dator, där funkade allt direkt.

Mic-förstärkaren (OPA1612) har inte kommit (Texas lovar 1a december) så för tillfället har jag bara byglat över opampen. Micen är alltså inkopplad utan förstärkning direkt till line-in vid Frekvenssvarsmätning. Det funkar på nära håll eller hög volym. Hoppas dock på mkt. bättre prestanda när den dyker upp.

Jag har inga kylflänsar på chip-amparna. Istället gjorde jag 3x4cm copper pours på kretskortet och använder dessa för kylning. Var lite fundersam om det skulle räcka, men det verkar det göra. Chipamparna blir nog ungefär 40C efter ett tag, men det är väl helt OK då de drar c:a 100mA*20V=2W idle per amp enligt datablad. Blir nog inte så fasligt mkt mer än så ens under full effekt. Teoretisk maxeffekt ifrån +-10V i 8 ohm är 6.25W. Med en verkningsgrad på c:a 70% för klass B ampar blir det en extra spilleffekt på 1.8W per amp. Alltså max knappt det dubbla mot idle. Det bör räcka.

Vem vet, den här lilla prylen kanske blir användbar i slutändan


Impedansmätning på ett 10-ohms hålmonterat motstånd (gammalt, säkert 5%)
Ser bra ut tycker jag.


Impedansmätning på en PC-speaker (märkt 8 ohm)
Ser också ut att kunna stämma. Resonsans vid 450Hz, där högtalaren också lät lite mer under svepet.


Frekvenssvar: Bakgrundsbrus, mic urkopplad (dvs pc line-in mer eller mindre flytande, endast pullad av några höga motstånd).
Inte vackrast i världen. Hoppas det löser sig när Texas behagar leverera min OP-amp.


Frekvenssvar: PC-Speaker, mic 5cm ifrån speaker.
Högtalaren låter hörbart mer vid 450Hz och sedan några kHz, vilket också verkar stämma överens med mätningen.
Det finns alltså visst hopp om att jag lyckats koppla in micen rätt.

[pagge]

Nu har jag kommit mig för att mäta på mina högtalare. Sakta men säkert rör det på sig


Sinussvep - Mäter en frekvens i taget. Tar tid men ger lite noggrannare mätning verkar det som.



"Rosa" brus - I princip samma sak som sinussvep, bara att man inte sveper utan kör alla frekvenser samtidigt. Sen får man separera varje enskild frekvens i mjukvara. Verkar i praktiken ge lite brusigare plottar.

Slutligen har vi "Facit" (svart kurva). Någon annan som oberoende mätt upp samma högtalare. Verkar ju stämma ganska bra med mina egna mätningar.

Texas har lovat att jag skall få min OP-Amp (till mic-förstärkaren) på Onsdag så nästa helg blir det av att testa rumssvar.

[jonnorberg]

Kul projekt, använder en gammal Neutrik impedansskrivare när jag behöver mäta högtalare.
Några bilder på hårdvaran?

[pagge]

Lagom komplicerat för att faktiskt bli färdigt, men ändå praktiskt användbart .
Tror det blir mkt. roligare att mäta med denna box än med två externa förstärkare (mic och effekt) och därtillhörande sladdhärva av jordslingor och snubbeltråd.

Lyssnade lite på genom boxen också (i rumssvarsläget agerar den bara förstärkare, utan shuntmotstånd). Jag hade inte min vanliga förstärkare inkopplad så jag kunde inte jämföra, men tyckte ändå att chipampen i boxen (LM1875) lät helt OK fast den inte har några direkta makalösa specs på pappret.

Ang. bilder så är min mobilkamrea så makalöst risig (Ericsson W880i) så det är inte lönt att försöka använda den. Linsen är ju liten och utan blixt dessutom så kanske den inte orkar så mycket till att börja med, men som om de verkligen ville försäkra sig om att absolut inga bra bilder skall ta sig ur kameran så komprimerar de sönder bilderna också. Även i "High quality" läget så ser man tydliga jpeg-artifacter. Varför de inte har ett lossless läge på komprimeringen kan ju bara bero på att de ville försäkra sig om att man inte skall lyckas få ut de två små stackars megapixlar som gömmer sig i bildsensorn.

Jag lyckades dock övertyga chefen om att vi behövde en kamera till jobbet "För att dokumentera uppsättningar". Den dök upp i fredags så det kommer nog lite bilder till veckan .

Hur funkar din Neutrik pryl? Är det integrerad pappersskrivare, eller syftar namnet på något annat?

[MiaM]

Trevligt projekt! Jag har många gånger tänkt att det verkar ju vettigt att mäta med datorn, men det där med att släpa fram en förstärkare och koppla upp ett par passiva komponenter och rätt kontaktdon o.s.v. har ofta satt stopp för det hela.

Förresten, varför sitter inte seriemotståndet för högtalaren på jordsidan? I så fall skulle man kunna fått högtalarström direkt på en enda ingång utan att behöva ta till någon differentialkoppling. Smaksak kanske, fast om man gör så så slipper man växla mellan att mäta med mikrofonen eller mäta impedans. (Givetvis måste mjukvaran stödja att det är kopplat så...).

Jag tror att man idag vill köra någon annan mjukvara som istället för svep/brus använder en puls och räknar FFT. Poängen med det är att man kan se skillnad på frekvensgången för direktljud och för reflektioner, och man kan också se hur mycket eftersvängning högtalaren har vid olika frekvenser, om jag fattat allt rätt. Hårdvaran borde dock gå bra till vilket som.

Appropå jordslingor så är väl risken bara att sådana dyker upp internt i den externa förstärkaren, däremot inte mot datorns jord / skyddsjord, eftersom de flesta "hemmastereo"-förstärkare har ojordad stickpropp. Men jag håller med om att det är risk för jordslingor om man använder en sådan... (kan det vara därför orginalschemat tycker att man ska mäta spänningsfall över ett seriemotstånd på förstärkarens signalutgång, istället för att mäta på ett motstånd i serie med jorden?)

[pagge]

>>Förresten, varför sitter inte seriemotståndet för högtalaren på jordsidan?
Jo, på så sätt så kan man kan mäta strömmen med en enda kanal. Men man vill ändå mäta utspänningen ifrån förstärkaren, eftersom den är okänd (beror på windows alla mixrar, förstärkningsfaktor på förstärkaren m.m.).

Dessutom är förstärkningen på ljudkorten (både in och ut) generellt sett okänd (vilken utspänning blir digitala: 32767?) och varierar dessutom lite mellan kanalerna. När jag kör kalibrering i programmet har jag sett att det inte är ovanligt med nån decibels mismatch på förstärkningen mellan kanalerna. Så huvudargumentet för att mäta på två ställen är att man kan kalibrera bort alla de okända faktorerna.

>>Appropå jordslingor så är väl risken bara att sådana dyker upp internt i den externa förstärkaren, däremot inte mot datorns jord

Visst hjälper det om förstärkaren inte är skyddsjordad (du skall inga andra jordar hava jämte signaljorden). För låga frekvenser ger transormatorn i förstärkaren god isolation mot vägguttagets jord. Men för lite högre frekvenser kopplar transformatorn kapacitivt mellan pri och sec sidan. Det bör gå att lösa med korrekt filtrering på sec sidan (vilket jag försökt göra i boxen).
Dock har jag sällan/aldrig sett sådana filter när jag öppnat en förstärkare. För det mesta går trafon bara direkt vida dioder till kondensatorbanken, och det är inte tillräckligt. Lätt att få problem med missljud t.ex. då man tänder lysrör, i synnerhet med långa signalkablar.

Jag har hört talas om folk som mätt utstrålad EMI på sina prylar i en EMC hall och haft problem som varierat rätt häftigt beroende på vilken väg de stoppar in stickproppen i vägguttaget. Det skall ju vara omöjligt att få sådana effekter med en "perfekt" transformator. Hade en audiofil sagt det hade jag skrattat rått åt bara tanken, innan jag fick det bevisat för mig med mätningar. Jag skulle tro att den kapacitiva kopplingen mellan primär och sekundär orsakar det, möjligen i kombination med assymetrisk filtrering, dvs att man bara filtrerar ena ledaren (typiskt spännings-railen) och inte 0-ledaren på sekundärsidan.

Sen skapar jag ju även en jordslinga mellan de bägge stereokablarna (line out och line in). Inte hela världen om kablarna är korta skulle jag tro, men det blir ändå en fin liten loop uppemot en kvadratmeter.
Dock är jag en smula tveksam till om jag borde delat upp jordplanen som jag gjort på kortet, eller om jag skulle nöjt mig med att koppla ihop alla inkommande jordar i en punkt, och sen haft ett obrutet plan på kortet... Jorda är svårt

Edit:
Mjukvaran kan även skicka ut pulser. Jag har inte forskat desto djupare i det, men möjligheten verkar finnas.

[pagge]

Idag har jag monterat och testat micförstärkaren. Jag var lite fundersam på vad som var lämplig förstärkning. Nu är det två opampar som förstärker 11x vardera 121x totalt. Då jag kör lite brus på "lagom" (dvs hörbart, men innan det blir jobbigt) nivå i pc-speakern så får jag 6-700mV peak-to-peak utslag ifrån mic-förstärkaren med mikrofonen på nån meters avstånd.
Det känns ganska lagom, jag har marginal till klippning (c:a 2V p-p?) samtidigt som signalen är hyffsat förstärkt.

Efter några enkla tester (se bilder nedan) ser man ser att micen som sådan brusar mer än elektroniken, samt att en svag vissling ger tydligt utslag. Med detta tror jag jag låter mig nöja då jag tycker att det borde vara tillräckligt bra för att kunna mäta utan problem. Vid mätning av rum testar man ändå med betydligt högre volym än en svag vissling.

Nu är det upp till min uppdragsgivare att ordna med lämpligt ytterhölje av mikrofonen. Jag är bara elektriker, det är han som har koll på det audiorelaterade . En lite mer gedigen inkapsling behöver också ordnas till.

Brusgolv utan mic inkopplad:


Brusgolv med mic inkopplad:


Visslar svagt på en meters avstånd:


Mikrofonen i naken form:


Användarinterfacet på den tillfälliga plastlådan:


Prylar:

[blueint]

Har du mätt upp frekvensresponskurva specifikt för mikrofonen? annars kan den åstdakomma missvisning av högtalarens respons om man har två okända "filter" i serie.

Att Fas respektive Neutral ger olika respons i förhållande till skyddsjord torde vara uppenbart. Men hur är det i en helisolerad konstruktion med endast två trådar kopplade?, där borde inte finnas någon referensförskjutning? (dvs ren sinus i både + och -)

Kopplas den färdiga enheten till ljudkort, eller är den helt fristående?

[pagge]

> Men hur är det i en helisolerad konstruktion med endast två trådar kopplade?
Det var så jag fick det beskrivet för mig. Nu måste jag braska med att jag inte såg det med egna ögon, det var den ansvariga för EMC-labbet som berättade det för mig.
Men oavsett huruvida man har skyddsjoden med eller inte så är det väl lika märkligt fenomen, eftersom skyddsjorden ändå bara kopplas in på sekundärsidan. Fas och 0 går ju direkt in till transormatorn (ev. via nåt transientfiler). Att det kunde påverka (skyddsjord eller ej) är lite fascinerande tycker jag. Jag gissar som sagt att det har något att göra med capacitiv koppling mellan pri och sec i tranfon. I en stor 50hz ringkärna kan det säkert bli några nF koppling mellan sidorna. Så för lite högre frekvenser har man ganska god ledning trots "isolering".

> Kopplas den färdiga enheten till ljudkort, eller är den helt fristående?
Till ljudkort, det kändes enklast. Jag behöver ju ändå en PC i slutändan för att rita upp graferna. Har man en liten laptop med sig så blir hela systemet ganska mobilt ändå.


> Har du mätt upp frekvensresponskurva specifikt för mikrofonen?
Här är jag lite okunnig om vad man behöver göra.
Micen är en mätmic som skall ha "jämn" frekvensgång i nån mening wm61 datasheet.
Har du någon uppfattning om det räcker med det, eller bör man försöka kalibrera den på något vis?

Hur gör man isåfall det i praktiken? Det känns som ett riktigt höna och ägg problem. För att kalibrera micen måste man ha en välkalibrerad referens-ljudkälla. För att skapa en välkalibrerad referens-ljudkälla behöver man en välkalibrerad mic.

[blueint]

Kom att tänka på att neutralledaren är ju kopplad galvaniskt till skyddsjord då elleverantörerna kör med 4-ledarsystem (fas1+fas2+fas3+PEN). Således har fasledaren potential mm till allting runtomkring. Ganska självklart då att det gör skillnad om det är något med potential, eller jord-till-jord.

Ett sätt att få ordning på mikrofonen är att mäta mot någon snäll som kan tänkas låta sin kalibrerade högtalare ge ett frekvenssvep som du mäter med din mikrofon. Frekvensen kan man deducera enkelt. Det är amplitud vs frekvens som är det intressanta. Och kanske THD?

Alternativt så tar du med en högtalare och någon annan använder en kalibrerad mikrofon för att mäta upp den. Sedan kan du använda matematik och egenmätning för kalibrera din mikrofon.

Är det på LTU som du labbar med detta?

[pagge]

> Således har fasledaren potential mm till allting runtomkring.
Man kan ju ändå hävda att transformatorn borde lösa detta, även med strökapacitans.
I oavsett om man kastar om matningen, så går fas och 0 till trafon, och borde ha ungefär samma möjlighet att koppla över via kapacitansen.

> Är det på LTU som du labbar med detta?
Jag har gått där en gång i tiden och jobbar i närheten numera. Men eftersom jag inte är student längre och inte har några kontakter i akustiklabbet så får jag sitta hemma eller på jobbet och pilla med detta.

> ...mäta mot någon snäll som kan tänkas låta sin kalibrerade högtalare..
Måste man göra denna mätning i ett ekofritt rum, eller räcker det att vara i ett rimligt dämpat rum (tjock matta och diverse fluffiga möbler) ha micen nära högtalaren och anta att direktvågen ifrån högtalaren är mycket större än reflexerna ifrån rummet.