Kast materialen onderzoek     

Inleiding.
Voor het bouwen van luidsprekerboxen is een behuizing nodig. Deze behuizing heeft als doel de akoestische energie die van voor en van achter het membraam komt te scheiden. De ideale behuizing is oneindig star en laat geen akoestische energie door. De meest gebruikte kast materiaal is hout. Daarnaast worden andere materialen gebruikt zoals kunststof, aluminium, natuursteen en cement. De meeste luidsprekers hebben last van klankverkleuring dit omdat de kast in veel gevallen bijna net zoveel geluid uitstraalt als de luidspreker zelf. Dit effect treedt op bij bepaalde frequentie’s en is duidelijk hoorbaar als een storend element.

Wat gebeurt er nu eigenlijk?
De luidspreker die in een behuizing gemonteerd zit wordt aangestuurd door de versterker en gaat trillen op het ritme van het aangeboden signaal.
De luidspreker geeft zijn trillingen via het chassis af aan de behuizing. (contactgeluid)
De behuizing komt hierdoor ook in trilling.
Als tweede veroorzaakt de luidspreker druk variatie’s in de kast waardoor de kast in het ritme van de variatie’s uitzet en krimpt. (net een ballon die je opblaast en weer leeg laat lopen) Alleen zijn deze variatie’s heel erg klein en niet te zien.Een ideale kast zou niet in trilling komen door deze contacttrillingen en drukvariatie’s, en straalt dus geen geluid uit.We horen in dat geval alleen de luidsprekerunits
Om nu de eigenschappen van veel gebruikte materialen zichtbaar en vergelijkbaar te maken is dit onderzoek gestart.
Met dit kast materialen onderzoek ben ik geïnteresseerd in het beste materiaal wat gebruikt kan worden voor het bouwen van luidsprekers.

Hoe te meten.
Hoe kun je de testen materialen testen?
Hiervoor is een speciale test behuizing gemaakt.
In principe wordt gebruik gemaakt van een gesloten kast,
door de zijwanden door te laten lopen zit de luidspreker verzonken in de behuizing.
Voor de testbehuizing is gebruik gemaakt van 18mm MDF versterkt met 32 mm beton.
De testkast heeft een gewicht van 105 kg.
De test panelen zijn allemaal dunner dan de wand van de test behuizing en vormen op die manier de zwakste schakel.
Voorop de test behuizing zit een houten frame waar de testpanelen opgeschroefd kunnen worden.
Voor de luidspreker zit een versteviging die demontabel gemaakt is om de panelen ook met versteviging te kunnen meten.

De meting gaat als volgt:
Eerst vind er een akoestisch referentiemeting plaats.
Tijdens de referentiemeting is er geen testpaneel geplaatst in de testbehuizing.
De tweede meting is eigenlijk dezelfde meting als de eerste met een testpaneel in het raamwerk waarna het verschil wordt getoond. (1.)
Als bij de tweede meting niets verandert ten opzichte van de eerste dan meet je geen verschil.

Het gemeten verschil is de reductie in geluidsdruk ten gevolge van het testpaneel.
Naar dit effect zijn we geïnteresseerd, ideaal zou zijn dat bij de tweede meting absoluut niets naar buiten komt en dus ook niets te meten valt.

Om de meetruimte te beoordelen is eerst een meting gemaakt zonder aansturing van de kast om de omgevingsgeluiden vast te leggen. (2,3.)

Meting gegevens:
In alle gevallen is dezelfde meetopstelling gebruikt.
Om de ruimtebeïnvloeding zoveel mogelijk uit te sluiten is op korte afstand (17,5 cm) en in het midden van de te meten plaat gemeten.
Meetset: Daas 32
6kHz sample frequentie tot 2kHz
-14dB level
3D waterfall +5/-35dB range 192 ms diep weergave tijdsvenster.
3D tijdvenster voor 1e reflectie 319 ms.

Metingen:
1. Nulmeting
2. Ruimtemeting (stoorniveau)
3. 10 mm spaanderplaat
4. 18 mm spaanderplaat
5. 18 mm MDF
6. 18 mm meranti multiplex
7. 18 mm berken multiplex
8. 18 mm MDF met versteviging ondersteund over 40 cm
9. 18 mm berken multiplex met versteviging ondersteund over 40 cm
10. Sandwich 18 mm spaanderplaat + 18 mm berken multiplex
11. Sandwich 18 mm spaanderplaat + 18 mm MDF
12. Sandwich 18 mm spaanderplaat + schuim + 18 mm berken multiplex
13. 18 mm MDF versterkt met 20 mm beton zonder versteviging
14. 18 mm MDF versterkt met 20 mm beton met versteviging over 40 cm

De resultaten zijn verwerkt in de volgende karakteristieken. 

Metingen gemaakt in 2003.

1. Nulmeting.	2. Meetruimte meting.
3. Meetruimte -70dB.	4. 10 mm spaanderplaat.
5. 18 mm spaanderplaat.	6. 18 mm MDF.
7. 18 mm multiplex meranti.	8. 18 mm berkenmultiplex
9. 18 mm MDF met versteviging.	10. 18 mm berken multipl met versteviging.
11. sandwich spaan + berken.	12. sandwich spaan + MDF.
13. sandwich spaan + berken + schuim.	14. 18 mm MDF + 20 mm beton.
15. 18mm MDF + 20 mm beton + versteviging.	16. 18mm MDF + beton + verst. + 80mm glaswol.

Toevoeging van nieuwe metingen 2004.

17. Glaswolplaat 80 mm los in het raam.	18. Berken met verst. + 80 mm glaswol.
19. 18mm MDF + steenwolplaat zonder verst.	20. 30 mm hardhout zonder versteviging
21. 18mm MDF + 7 mm massaplaat zonder versteviging.	22. Sandwich 18 mm berken + 7 mm massaplaat. + 18 mm MDF + versteviging.
23. 18 mm MDF + 11 mm massaplaat zonder versteviging.	24. 18 mm MDF + 11 mm massaplaat met versteviging.
25. Sandwich berken + 11 mm massaplaat + 18 mm MDF zonder versteviging.	26. Sandwich berken +11 mm massaplaat + 18 mm MDF met versteviging.
27. Sandwich hardhout + 11 mm massaplaat +  18 mm MDF met versteviging.	28. Sandwich berken + 11 mm massaplaat +  18 mm MDF met versteviging + 80 mm glaswol

1. Nulmeting
Twee dezelfde metingen die een verschil nul laten zien.
In de praktijk is dit niet helemaal haalbaar omdat de kleinste drukvariatie in het laag een klein
verschil laat zien.
Dit verschil is echter heel klein maar het is er wel.

2. Ruimtemeting (stoorniveau)
Bij de tweede meting is er geen signaal naar de test behuizing gegaan.
Hier wordt het omgevingsgeluid gemeten met dezelfde schaal als alle andere metingen.

3. Ruimtemeting -70 dB
Dezelfde conditie als bij punt twee echter is de schaal aangepast, nu is de storing in het dieplaag goed te zien

4. Meting 10 mm spaanderplaat
Sterke resonantie bij 140Hz zelfs meer output + 4dB als de luidspreker zelf.
Tweede bij 350 Hz en de derde bij 600 Hz met een langere uitstreftijd.
De laatste resonantie van betekenis ligt op 1200Hz.

5. Meting 18 mm spaanderplaat
Bij een dikkere plaat spaanderplaat wordt de eerste resonantie verhoogt naar 175 Hz , de tweede zit op 500Hz bijna tegen de derde die op 580 Hz zit.
De eerste is t.o.v. de 10 mm plaat verlaagd in hoogte maar de resonantie bij 580Hz is sterker geworden.
De hogere resonanties zitten op 820 en 1200Hz

6. Meting 18 mm MDF
Deze plaat is een exacte kopie van 18 mm spaanderplaat.
Alle resonanties liggen op dezelfde frequenties en hebben dezelfde sterkte.

7. Meting 18 mm meranti multiplex
Merantie multiplex laat ook hetzelfde zien als spaanderplaat en MDF alleen is de eerste resonatie verschoven van 175 Hz naar 205 Hz en is +5dB harder
De resonantie bij 580 Hz is ook harder + 10 dB boven nulniveau en streft minder snel uit.
Dit maakt merantie voor mij ongeschikt om verdere metingen aan te doen.

8. Meting 18 mm berken multiplex meting
Deze plaat laat toch iets interessants zien
Eerste resonantie schuift verder omhoog op naar 230 Hz en is minder sterk als bij meranti.
De tweede ligt weer bij 580 Hz en is ook zeer sterk +10 dB
Verder ook 850 en 1200 Hz waarbij 1200 tot -6dB komt.
In het gebieb van 30- 90 Hz is er een zeer grote demping – 35 dB.Onder de 20 Hz is de demping veel minder als bij spaanderplaat of MDF -15dB tegenover -25dB onder de nullijn.

9. Meting 18 mm MDF met versteviging ondersteund over 40 cm
Eerste resonantie is nagenoeg verdwenen t.o.v. de niet verstevigde plaat MDF.
Van – 2dB naar – 30 dB bij 175 Hz.Er is een nieuwe resonantie bijgekomen 300Hz op -10dB
De sterke resonantie bij 580 Hz + 7 dB bij een niet verstevigde plaat is gereduceerd naar -7 dB.
De rest van de resonantie is onveranderd en er is bij 980 Hz een nieuwe bijgekomen die ongeveer net zo hoog is als de andere maar langer nodig heeft om uit te sterven.

10. Meting 18 mm berken multiplex met versteviging ondersteund over 40 cm
De eerste resonantie van de niet verstevigde plaat bij 230 Hz is verdwenen en is verhoogd naar 300 Hz.
De reductie is van -2 naar -20 dB gegaan.
De tweede is ook verdwenen, echter er is een nieuwe piek terug bij 490 Hz met een waarde van -7 dB.
Bij de hogere frequentie vinden we ongeveer hetzelfde patroon terug.

11. Meting Sandwich 18 mm spaanderplaat + 18 mm berken multiplex
Deze sandwich plaat is niet verstevigd en laat de combinatie van twee verschillende karakteristieken zien.
De eerste resonantie wordt bijna opgeheven.
De vierde is sterk en komt overeen met de resonanties die spaanderplaat en berken beide hebben bij 580 Hz.
Het verdere verloop vinden we bij beide platen terug en ook in deze sandwich.

12. Meting Sandwich 18 mm spaanderplaat + 18 mm MDF
Spaanderplaat en MDF hebben dezelfde karakteristiek.
De eerste resonantie wordt doorgelaten t.o.v. de vorige sandwich plaat.
De rest van de karakteristiek lijkt op de vorige sandwich plaat.
De demping is nu groter omdat de twee platen samen 2 x de dikte hebben van een enkele plaat

13. Sandwich 18 mm spaanderplaat + schuim + 18 mm berken multiplex
De eerste resonantie is terug t.o.v. zonder schuim maar de tweede grote is nu gereduceerd.
Dit kan door de ontkoppeling door de elastische laag.

14. 18 mm MDF versterkt met 20 mm beton zonder versteviging
Deze laat een verlaging zien van de eerste resonantiefrequentie van 180 naar 130 Hz.
Deze is ook iets kleiner geworden – 4 dB.De hogere resonanties zijn flink gereduceerd in grote.
Beton geeft in dat gebeid veel verschil.

15. 18 mm MDF versterkt met 20 mm beton met versteviging over 40 cm
De eerste resonantie wordt sterk verminderd, in het hele laag gebied is de reductie gemiddeld 10 dB gezakt.
Er is nog een sterke resonantie bij 500 Hz ten gevolge van de versteviging.

16. 18 mm MDF versterkt met 20 mm beton met versteviging over 40 cm en glaswoldemping tussen de luidspreker en het testpaneel.
Door de interne ruimte te dempen is de resonantie bij 500 Hz ook gereduceerd met – 10 dB.

17. Glaswolplaat 80mm los in het raam van de testbehuizing
Hier is te zien wat glaswol dempt t.o.v. geen glaswol tussen de luidspreker en de meetmicrofoon.

18. 18 mm berken multiplex met versteviging + 80 mm glaswol
Opmerkelijke demping van het totaal, bij herhaling bleek dit echt dit als resultaat te hebben.
Demping tot 15 dB tussen de 400 - 500 Hz.

19. 18 mm MDF met daarop verlijmd geperste steenwol plaat 10mm
De meting laat de demping zien t.o.v. geen toegepaste geperste steenwolplaat. (meting 6)
Er is goed te zien wat de geperste plaat aan verbetering laat zien.
Over het algemeen scoort deze combinatie in totaliteit niet hoog, eerste resonantie 160Hz - 10dB en sterke tweede resonantie bij 600 Hz -2dB.

20. 30mm hardhout zonder versteviging
Ingezonden testpaneel van 30 mm hardhout.
Eerste grondresonantie bij 210 Hz vrij sterk -9 dB en houd lang aan.
De hogere resonanties zijn redelijk gedempt.

21. 18mm MDF met 7mm massaplaat zonder versteviging
De eerste resonantiefrequentie is lager door toename van het gewicht t.o.v. MDF.
Deze ligt op 100 Hz -5 dB.
De hogere resonanties zijn goed gedempt t.o.v. MDF (meting 6)

22. 18mm MDF met 7mm massaplaat met versteviging
De eerste resonantiefrequentie is sterk verhoogd van 100 naar 400 Hz.
De demping is ook verbetert van -5 naar -15 dB.
Deze combinatie presteert al erg goed.

23. 18mm MDF met 11mm massaplaat zonder versteviging
De eerste resonantiefrequentie is ook lager door toename van het gewicht t.o.v. MDF.
Demping hier -12 dB bij 105 Hz.
Ook de hogere resonanties zijn goed gedempt t.o.v. MDF (meting 6)
Al met al geeft de 11 mm plaat betere resultaten als de bij de plaat van 7mm.

24. 18mm MDF met 11mm massaplaat met versteviging
Dezelfde resultaten als met de 7mm plaat alleen nog beter.
Demping -17 dB bij 400 Hz

25. Sandwich 18 mm MDF + 11 mm massaplaat + 18mm berken zonder versteviging
Nu is de doorlating echt gereduceerd geen grote resonanties meer.
Over het hele frequentiebereik grote demping van 35 dB of meer.
Alleen nog vier kleine doorlatingen van - 25 dB op 340, 700, 1K en 1,5 KHz.
Alleen beton (meting 16 ) doet het iets beter.

26. Sandwich 18 mm MDF + 11 mm massaplaat + 18mm berken met versteviging
Deze combinatie vertoont veel gelijkenis met meting 24.
In principe zou ik een verbetering verwachten met meting 25.
Het iets mindere resultaat is waarschijnlijk te wijten aan de manier van inklemmen van het testpaneel.

De achterliggende gedachte van de massaplaat is de volgende:
- de binnenkast wordt ontkoppelt van de buitenkast door middel van de massaplaat.
- de versteviging in de kast moet verlijmd zitten met de binnenste plaat.
- tijdens de metingen kon ik alleen schroeven omdat de kast meerdere malen gebruikt moet worden.
- De binnenste plaat berken is geschroefd op de versteviging.
- Daaroverheen is de verlijmde MDF + massaplaat geschroefd.
- Ter hoogte van de versteviging kon ik de buitenplaat niet schroeven omdat er anders een brug gemaakt wordt door de massaplaat heen.
- Dit resulteert dan in het direct overbrengen van de trillingen vanuit de binnenste plaat naar de buitenkant.
- Nu zou het isolerende karakter verloren gaan van de massaplaat.
- De buitenste plaat MDF + massaplaat is aan de randen geschroefd en is niet helemaal één geworden met de binnenste plaat.
- Hierdoor kunnen de platen toch iets onafhankelijk van elkaar bewegen wat het resultaat niet ten goede komt.

27. Sandwich 18 mm MDF + 11 mm massaplaat + 30mm hardhout met versteviging

Hier is de 18mm berken vervangen door 30 mm hardhout.
Deze combinatie heeft hetzelfde probleem als hierboven. (meting 26)
Hier is zelfs het totale resultaat minder.

28. Sandwich 18 mm MDF + 11 mm massaplaat + 18mm berken met verst.+ 80 mm glaswol

Deze meting moet heel erg in de buurt liggen van meting 26 omdat de glaswolplaat als enigste is toegevoegd.
Hier is de gelijkenis goed te zien, het resultaat is beter als verwacht.
Overal een hogere demping als -35 dB, tussen de 300-500Hz twee kleine resonanties van -27 dB.
Dit resultaat is het hoogste wat ik ooit bereikt heb en overtreft beton zelfs.
Wel opgemerkt het toch nog grote verschil met meting 26 wat wellicht wordt veroorzaakt door een betere bevestiging waar meting 26 last van had.
Ik had bij de laatste meting grotere schroeven gebruikt voor meer druk.

Conclusie:

Bij de diverse metingen is steeds gekeken naar de resultaten.
Als een nieuw te meten materiaal duidelijk slechter presteert als een al gemeten materiaal dan wordt er niet verder mee geëxperimenteerd.
Paneeldikte is van grote invloed op de geluidsreductie, hoe dikker hoe hoger de reductie.
Bij paneel verzwaring (beton) wordt de reductie beter maar de uitslingertijd wordt langer.
De eerste resonantie wordt lager immers het gewicht is groter.
Platen ontkoppelen met een elastische laag (schuim) heeft een nadelig effect ten opzichte van dezelfde platen zonder elastische laag.
Ik ben daarom niet verder gegaan met rubber of andere materialen als tussen laag.
Sandwich constructies met verschillende materialen doen het beter als materialen met gelijksoortige karakteristieken.
Versteviging op het midden van de plaat om zo het niet ondersteunde oppervlak te verkleinen heeft grote positieve invloed op de eerste resonantie.
Verschillende lagen plaatmateriaal met versteviging in een sandwichconstructie levert bijna de beste resultaten op.
Versteviging in combinatie met beton levert tot nu toe de beste combinatie op die over het hele bereik met uitzondering van de hogere frequenties zeer goed scoort. (resonantieverschuiving)
Door demping toe te passen dempen we de hoge frequenties en hebben nu nagenoeg het hele frequentiebereik op – 35 dB onder de referentielijn liggen.
Dit in praktijk klinkt ongelofelijk open en zonder klankverkleuring.
Het is net alsof je alle pauzes in het signaal kunt horen.

Aanvulling met de nieuwe resultaten:

Elke combinatie geeft weer een ander verloop in doorlating.
De gekozen richting van elastische massa platen brengen het ultieme kastmateriaal iets dichterbij.
Klankmatig heb ik nog niets gehoord met muziek, dit is puur meettechnisch bepaalt.
Op dit moment ben ik bezig met de bouw van het eerste prototype met massaplaat.
De bouw van een kast waar in de massaplaat is verwerkt is dusdanig complex en precies dat verder studie op dit gebied gewenst is om dit in praktijk betaalbaar toe te passen.
Als de luidsprekers spelen en er resultaten bekend zijn wordt dit op de site bekent gemaakt.

11-10-2004 M.E. van der Hoff