Vibrators - Transducers
Keywords: electromagnetic shakers, vibration analysis, pot vibrant,
chladni...
'Trilplaat'-projekt... een vervolg.
Hier is een link naar het 'Trilplaat projekt'.
Alle drivers die voorzover ons bekend op de markt verkrijgbaar zijn (Visaton,
Clark Synthesis...), gebruiken het moving-coil principe en in die zin verschillen
ze niet fundamenteel van luidsprekers Uiteraard ontbreekt hier een conus en
in plaats daarvan is de spreekspoel vast verbonden met een deel van het chassis
van de konstruktie. De massa van de spreekspoel zelf is erg klein in vergelijking
met de objekten die erdoor geacht worden tot trilling te komen. De efficientie
van dergelijke drivers ligt dan ook behoorlijk laag. Immers, bij een normale
luidspreker wordt de spreekspoel vastgelijmd op de zo beweeglijk mogelijk in
het chassis opgehangen lichte hardpapieren conus: 
Door
die spreekspoel vast te zetten zoals in deze drivers, wordt in feite het grootste
deel van de opgewekte trillingen kortgesloten. Wanneer we zo'n driver bevestigen
op een zware betonnen muur of een blok massief gietijzer, dan horen we alleen
nog de door de inertie overblijvende trilling van het chassis. Hier is de opbouw
van de als 'professioneel' verkochte Clark Synthesis driver: 
Bij
de bouw van onze trilplaat hebben we heel wat van deze drivers doen sneuvelen,
wat ons ook een pak geld heeft gekost. De duurste (ca. 500 Euro, voor de Clark
Synthesis type TST329 Gold) is gesneuveld door onachtzaam gebruik en overbelasting
door een van de Logos medewerkers... Uiteraard konden we hiet niet nalaten de
gesneuvelde driver open te maken, een volstrekt destruktieve operatie overigens.
Op
de foto is de losgekomen spreekspoel te zien, vastgemaakt aan het plastic chassis.
Het opgekleefde gele onderdeel op het plastic is de onwerkzaam gebleken overbelastingsbeveiliging,
een VDR. De kernspleet in de magneet was met ferrofluid gevuld. Dit is de magneet:
Deze magneet is samengesteld
uit acht kleine neodymium magneetblokken, en niet zoals gebruikelijk bij meer
professionele luidsprekerfabrikanten, opgebouwd als een enkele monolitische
ringmagneet. We haalden ook het door Visaton geproduceerde type BS130 uiteen,
en verder op deze pagina brengen we daarover verslag uit. Een ding staat vast:
de Visaton driver is heel wat professioneler opgebouwd.
Uitgaand van de geringe efficientie van deze drivers voerden we een hele reeks
experimenten uit waarbij we de aanpak vaak helemaal omkeerden: het bewegende
deel wordt dan een sterke permanente magneet terwijl het vaste deel gevormd
wordt door een daaromheen gewikkelde spoel. Tussen spoel en magneet moet een
luchtspleet opengehouden worden. Fundamenteel veschilt dit naar opbouw dus in
niets van een open elektromagneet, alleen het feit dat het anker hier een permanente
magneet is, en niet een stuk weekijzer, maakt het verschil. Het magnetisch anker
zal wanneer een wisselstroom door de spoel loopt, op en neer bewegen met dezelfde
frekwentie als die van de wisselstroom. Hoe lager die frekwentie, hoe groter
de amplitude van de beweging. Dat is natuurlijk een gevolg van de inertie. Hoe
kleiner de massa van de magneet, hoe sneller hij zal kunnen trillen. Onze konstruktie
is dan ook bij uitstek geschikt voor bas en subbas transducers. De efficientie
van dit systeem is heel wat beter dan die van moving coil drivers bij gelijkblijvend
toegevoerd vermogen. Zoals echter bleek uit onze vele hierna beschreven experimenten,
is de rol van spoel en magneet eigenlijk grotendeels inwisselbaar, uiteindelijk
immers alleen nog afhankelijk van welk van de twee delen we vastmaken aan de
resonator. Een opmerkelijk resultaat van de vele, hierna beschreven experimenten
die we uitvoerden, kunnen we alvast meegeven: konstrukties waarbij de massas
van spoel en magneet gelijk zijn, blijken het efficientst te zijn. Hoe groter
die massas, hoe lager de frekwentie van de trillingen die we kunnen opwekken.
Hier zijn enkele geannoteerde schetsen van de ontwerpen die we hebben uitgetest:
Ontwerp 1: Werkt alleen goed als de schijfmagneet ook als potmagneet
is gebouwd en dezelfde diameter heeft dan die potmagneet. De haalbare amplitudes
van de trillingen is eerder beperkt. Ook het frekwentiebereik is beperkt, wat
te wijten is aan de uit weekijzer opgebouwde potmagneet. Ferriet elektromagneten
zouden op dit punt beter moeten presteren.
Voor dit en heel wat volgende
experimenten gebruikten we een reeks neodymium pot- en ringmagneten met volgende
specifikaties:
Deze magneten zijn verkrijgbaar bij www.supermagnete.de (webshop).
Ontwerp 2: is heel wat efficienter dan ontwerp 1, maar heeft erg veel
te lijden van bijgeluiden doordat de staafmagneet de binnenkant van de spoel
kan raken.
De bevestiging van de staafmagneet
aan de M8 schroef levert problemen op. Lijm is niet sterk genoeg... Staafmagneten
met een in- of iutwendige schroefdraag blijken niet te worden gefabriceerd.
Ontwerp 3: Vergt een wat ingewikkelde konstruktie van de wikkelvorm
voor de spoel. Dit zou een ideaal ontwerp moeten zijn voor een seks vibrator.
We hebben het getest met een staafmagneet van 15 mm diameter evenals met een
van 6 mm. Die laatste lijkt ideaal geschikt als seks-vibrator. Wel moet voorzien
worden in rubberen stoppen op de uiteinden en een sinusoidale aansturing. ca.
25 Hz lijkt goed te zijn. Twee drukveren op de uiteinden leveren een heel goed
resultaat. Normale seks-vibrators bestaan uits niets meer dan een klein DC motortje
voorzien van een excentrisch gewicht op de as. Meer gesofistikeerde exemplaren
hebben ook nog een regelbare draadgewikkelde weerstand in serie met het motortje.
De staafmagneet moet zo vrij mogelijk kunnen bewegen in de magneetkern. Teflon
lagering werkt goed.
..
Ontwerp 4: Werkt uitstekend, maar de luchtspoel moet erg vast en trilvrij
gemonteerd worden op een vertikaal verstelbare zware voet. Op de schijfmagneet
moet een dunne viltring gekleefd worden.
Ontwerp 5: Zoals het voorgaande, maar hier opgebouwd als autonome module
met een centrale niet magnetische as en een teflon (PTFE) schuiflager. De bevestiging
op de trilplaat gebeurt met een inox moer op het uiteinde van de M8 bout. Door
de M8 schroefdraad in de magneet, is afregelen en bijstellen van de luchtspleet
eenvoudig uitvoerbaar.
Deze transducer werd opgebouwd
met de ITN60 magneet. De PTFE (Teflon) insert draaiden we op maat op de draaibank
uit een stuk PTFE stafmateriaal. Deze insert vormt een glijlager. Mogelijke
verbetering: gebruik van een cilindervormgige holle ferromagnetische kern (binnengat
6mm). Deze kern moet wel vast verbonden zijn met de spoel. Hier is een praktische
realisatie: 
Ontwerp 6: Opgebouwd zoals voorgaand experiment, maar nu met een 6 mm
inox bout en een tot in de ringmagneet doorlopend PTFE glijlager. Dit levert
minder wrijvingsverliezen op. De hier gebruikte magneet is heel wat krachtiger
dan wat we gebruikten in alle eerdere ontwerpen. Een konisch gewikkelde veer
in plaats van de neopreen ring, geeft weliswaar nog sterkere trillingen, maar
introduceert ook weer meer bijgeluiden.
Dit ontwerp werkt vooral heel goed voor de laagste frekwenties. Wanneer de
spoel echter heet wordt, komt de PTFE vast te zitten in de plastic spoelkern
en trilt het geheel niet meer.
Ontwerp 7: Opgebouwd zoals in ontwerp 6, maar hier vervingen we het
PTFE lager door een cilindrisch stuk staal, met een inboring van 6 mm waardoorheen
de bevestigingsbout vrij kan bewegen. De luchtspleet kon hier niet aangehouden
worden en werd vervangen door de neopreen ring.
Ontwerp 8: Hier gebruikten we de stator van een kleine induktiemotor,
waarbij we de beide wikkelingen parallel schakelden. Op de plaats waar de weggenomen
rotor zat, komt een potmagneet met bevestigingsgat te zitten (diameter 35 mm).
Dit werkt vrij behoorlijk, maar de montage stelt nogal wat problemen van mechanische
aard. Hier is een foto van zo'n stator:
Ontwerp 9: Hier hebben we de mogelijkheid onderzocht een zware stappenmotor
te gebruiken als vibrator. Principieel bestaat zo'n motor immers uit een stelsel
permanente magneten op de rotor en twee tot vier wikkelingen. Voor gebruik als
vibrator sloten we slechts een enkele motorwikkeling aan. Het was immers niet
de bedoeling de motor te doen draaien. Voor de test gebruikten we een type met
200 stappen per omwenteling. Een type met een kleiner aantal stappen zou beter
zijn.
Ontwerp 10: Verder werkend met de resultaten van de ontwerpen 1, 5 en
6, brachten we hier twee gelijke spiraaldrukveren aan waartussen de spoel kan
bewegen om de centrale as.
Hier is een foto: 
Ontwerp 11: Opgebouwd zoals ontwerp 10, maar hier met magneet ITN60,
voorzien van een inwendige M8 schroefdraad. Ook hier werden twee drukveren toegepast,
in dit geval met een binnendiameter van 8 mm.
Ontwerp 12: Hierbij gingen we uit van een Visaton BS130 transducer,
die we eerst helemaal ontmantelden. Immers, zoals de transduicer wordt geleverd
kan hij alleen met een groot kontaktoppervlak op een trillend oppervlak worden
bevestigd, wat hem uiteraard volkomen onbruikbaar maakt voor het aansturen van
onze trilplaat. Het vermogen dat deze driver, volgens de fabrikant aankan is
erg beperkt: 50 Watt. Dit betekent dat de spanning over de driver niet groter
mag zijn dan 14V. Uit onze metingen bleek echter dat met een sinusuitsturing
van slechts 7V rms, de transducer makkelijk 65 graden warm wordt. Het opgenomen
vermogen is dan nochtans slechts 12 Watt. De laagste frekwenties moeten met
een high-pass filter worden beperkt. Zoniet schuldt de transducer zichzelf stuk.
Ondanks dit alles, bleek het tot dusver de beste transducer te zijn qua frekwentieweergave.
Uiteraard hebben we deze Visaton transducer uiteen gehaald om de konstruktie
te kunnen analyseren. Hierbij enkele foto's:
Hierbij een foto van deze terug
wat aangeklede driver, geschikt gemaakt voor montage op onze trilplaat: 
Om de montage op de trilplaat mogelijk te maken vervingen we de centrale M6
moer die de spreekspoel en de magneet op zijn plaats houdt, door een inox hoge
moer. Daarin past dan aan de andere zijde een (eveneens inox) M6 x 10 cilinderbout
en een vlakke afdichtingsring.
Ontwerp 13: Hierbij gingen we weer uit van een vrij bewegende 15 mm
doorsnede neodymium staafmagneet geplaatst in twee spoelen van buissolenoiden.
In elke spoel zit aan het uiteinde van het bewegingtrajekt een drukveer.
Godfried-Willem Raes, juni-augustusi .2019