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 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 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 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 elektromagneter 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.

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. 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.

..

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 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 wikkeling 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.

Godfried-Willem Raes, juni-juli .2019