Motional Feedback: achtergronden

Theorie.

Om de werking van het Motional Feedback systeem te begrijpen, is enige basiskennis over de werking van een luidspreker noodzakelijk. We zullen in deze beschouwing uitgaan van een luidspreker in een gesloten box, de meest eenvoudige toepassing en tevens die waarbij Motional Feedback op de meest effectieve wijze is toe te passen.

  • Resonantiefrequentie
  • Elke luidspreker heeft een resonantiefrequentie die onder andere wordt bepaald door het gewicht van de conus (bewegende massa) en de veerkracht van de ophanging. Bij deze frequentie is het rendement van de luidspreker zeer hoog; deze frequentie wordt dus veel luider weergegeven dan andere frequenties in het audiospectrum. Wanneer een luidspreker moet werken in het gebied waarin de resonantiefrequentie ligt, zal dit dus een ongewenste kleuring van het geluid met zich meebrengen. Daarnaast mag algemeen worden aangenomen dat een luidspreker bij frequenties onder de resonantiefrequentie nauwelijks functioneert; het rendement neemt dan sterk af. We zullen er dus altijd naar streven om de luidspreker in te zetten in het frequentiegebied dat boven de resonantiefrequentie ligt. Als we kijken naar een woofer (basluidspreker) bevindt de resonantiefrequentie zich over het algemeen onderin het werkgebied van de luidspreker; ruwweg tussen de 20 en 60 Hz. Wanneer een luidspreker in een gesloten kast wordt geplaatst, zal de lucht in de afgesloten ruimte van de kast een afremmende werking hebben op de beweging van de conus waardoor de resonantiefrequentie behoorlijk toeneemt; immers, de veerkracht op de bewegende massa van de conus neemt ook toe. De lucht in de gesloten kast “trekt” aan de luidsprekerconus wanneer deze naar buiten beweegt en “drukt terug” wanneer de conus naar binnen beweegt. Wanneer de resonantiefrequentie hoger wordt, betekent dit dus dat het werkgebied van onze woofer aan de onderkant drastisch afneemt! Zo blijft er weinig bas meer over…

  • Kastontwerp
  • Er zijn natuurlijk diverse mogelijkheden om dit vervelende verschijnsel te verminderen. Aangezien we inmiddels weten dat de resonantiefrequentie wordt bepaald door het gewicht van de bewegende massa (conus) en de veerkracht (tegendruk) die op de conus wordt uitgeoefend, lijkt het logisch dat we deze twee factoren moeten beïnvloeden om hiermee de resonantiefrequentie te verlagen. We zouden het gewicht van de bewegende massa, dus het gewicht van de conus kunnen verhogen om zo de resonantiefrequentie te verlagen. Een groot nadeel van deze methode is echter dat het rendement (de efficiency) van de luidspreker hierdoor zeer nadelig wordt beïnvloed. Hetzelfde geldt voor de kwaliteitsfactor Q, welke onder andere bepalend is voor de nauwkeurigheid waarmee de luidspreker het toegevoerde signaal weergeeft. Interessanter is het dus om de massa te laten voor wat hij is en ons te concentreren op de andere factor, namelijk de veerkracht (tegendruk) die de bewegende massa (conus) ondervindt in een luidsprekerbox. Allereerst speelt het volume van de gesloten kast een belangrijke rol. Een kleine kast bevat weinig lucht en zal de luidspreker dus sterk afremmen in zijn bewegingen: een hoge resonantiefrequentie is het gevolg en dus een matige laagweergave. Wanneer we de kast flink vergroten, zal deze veel meer lucht bevatten en de luidspreker dus meer bewegingsvrijheid bieden. Dat lijkt de meest voor de hand liggende oplossing, en dat is het ook. Het gevolg is echter dat de gesloten luidsprekerkast dermate forse afmetingen gaat omvatten dat dit andere praktische problemen gaat opleveren; denk hierbij aan plaatsing in de luisterruimte; twee luidsprekerboxen ter grootte van wasmachines zullen niet in elk interieur welkom zijn!
    Een andere oplossing is het creëren van een opening in de kast, waardoor de box meer lucht kan krijgen en de remmende werking van de lucht in de box afneemt. Dit is in heel simpele bewoordingen wat men doet door het aanbrengen van een zogenaamde basreflex poort in de luidsprekerkast. Deze poort heeft een nauwkeurig berekende lengte én diameter en is gebaseerd op het principe van de Helmholz resonator. Bij de basreflex kast wordt de reflexpoort op een dusdanige manier berekend (of in popi-jopi-taal “getuned”) dat de lucht binnenin de box op een bepaalde frequentie volledig in fase resoneert met de lucht buiten de kast. Op die manier wordt bij deze frequentie het rendement van de box verdubbeld. Deze frequentie kan weliswaar in zekere zin worden beïnvloed, maar het gaat hier om slechts een smal gedeelte van het audiospectrum. Hierdoor ontstaat niet een wérkelijk diepere laagweergave, maar slechts een deel van het door de kast onderdrukte spectrum wordt door de resonantiewerking versterkt. Daaruit blijkt dat ook de basreflex kast een hoge mate van kleuring toevoegt aan het geluid, door slechts een deel van het ontbrekende spectrum te versterken.
    In de loop der jaren zijn er diverse geavanceerde varianten op de basreflex kast op de markt verschenen, maar geen van allen slaagden ze erin om dat te bereiken wat eigenlijk de enige goede oplossing zou zijn: het verlagen van de resonantiefrequentie zonder een absurd grote luidsprekerkast nodig te hebben.

  • Motional Feedback; bewegingsterugkoppeling bij luidsprekers
  • Wanneer we het probleem van de verhoogde resonantiefrequentie niet zuiver natuurkundig kunnen oplossen, moet wellicht de hulp van elektronische middelen worden ingeroepen. Als we de beweging van de luidspreker zouden kunnen meten, zou het tevens mogelijk moeten worden om de afgeremde beweging in het lage frequentiegebied te corrigeren. Allereerst moet bepaald worden, hoe de conusbeweging het beste kan worden gemeten. Hiervoor zijn diverse methodes beschikbaar.

    1. Met een microfoon
    2. Deze methode lijkt het meest voor de hand liggend maar heeft enkele grote nadelen. Allereerst zal door de afstand tussen luidsprekerconus en microfoon – hoe kort ook – een looptijdverschil optreden waardoor de meting zal afwijken. Daarnaast zal de microfoon, een akoestische opnemer, ook gevoelig zijn voor omgevingsgeluiden die de meting beïnvloeden. Om deze redenen moet de microfoon als meetinstrument worden afgeschreven.

    3. Met een extra spoel of wikkeling
    4. Door een tweede spoel op de spoeldrager van de luidspreker te monteren, kan een inductieve spanning worden opgewekt wanneer de spoel zich door het magneetveld in de luidspreker beweegt. Deze spanning zou dan gebruikt kunnen worden als referentie voor de bewegingsterugkoppeling. Enkele nadelen: de spoel zal beïnvloed worden door de inductie van de spreekspoel van de luidspreker. Daarnaast is het magneetveld in de luidsprekerschacht niet homogeen waardoor de meting niet betrouwbaar zal zijn.

    5. Met een capacitieve opnemer
    6. Door een capacitieve opnemer te creëren kan een continu wisselende capaciteit worden omgezet in een bruikbaar signaal dat de beweging van de conus weergeeft. Een moeilijkheid hierbij is het feit dat altijd ten opzichte van een absoluut statisch punt moet worden gemeten, hetgeen moeilijk zo niet onmogelijk haalbaar is.

    7. Met een piëzo-keramische versnellingsopnemer
    8. Door een plaatje piëzo-keramisch materiaal in het hart van de luidsprekerconus te monteren, zullen de bewegingen van de luidspreker evenredige spanningen opwekken in het piëzo-keramisch materiaal, die een maatgever zijn voor de versnelling van de luidspreker. Dit signaal is niet gevoelig voor storing door magnetische fluctuaties of omgevingsgeluid en heeft tevens geen vast referentiepunt nodig om correcte waarden af te geven. De enige vereiste is dat het keramisch materiaal wordt opgehangen in rubber blokjes om optimale bewegingsvrijheid te verkrijgen. Daarnaast dient het niet in de luchtstroom van de spreekspoel / magneet van de luidspreker te worden geplaatst om foutieve metingen te voorkomen. Dit kan eenvoudig worden bereikt door het elementje in een luchtdicht schoteltje te monteren. Met relatief eenvoudige elektronische schakelingen kunnen we het signaal van het piëzo-keramische elementje terugvoeren naar de versterker en laten vergelijken met het ingangssignaal van de versterker.

    Wat bereiken we nu met het uitvoeren van deze bewegingsterugkoppeling? Welnu, de schijnbare massa van de luidspreker neemt door het toepassen van bewegingsterugkoppeling toe, hierdoor wordt onze resonantiefrequentie in gunstige zin beïnvloed. Bij toename van de conusmassa zal de resonantiefrequentie omlaag gaan, met als resultaat dat het werkgebied van de luidspreker in het onderste frequentiespectrum wordt vergroot. Dankzij het gebruik van de bewegingsterugkoppeling neemt het rendement van de luidspreker niet af, hetgeen bij verzwaring van de conusmassa normaal wel zou gebeuren. De laagste weer te geven frequentie schuift verder omlaag, waardoor ons systeem eindelijk zijn doel bereikt heeft; een lager doorlopend frequentiebereik van onze luidspreker in een kleine behuizing en dit alles zonder de rechtheid van de frequentie-karakteristiek nadelig te beïnvloeden!

Experimenten

Reeds in de jaren ’30 van de vorige eeuw werd er onderzoek gedaan naar bewegingsterugkoppeling van luidsprekertrillingen naar versterkers om zo de weergave te verbeteren. Vanwege de beperkte technische mogelijkheden was het echter nog niet mogelijk om dit in de praktijk toe te passen. Pas toen in de jaren ’50 en ’60 de transistor zijn intrede deed, werd het mogelijk om redelijk eenvoudig complexe halfgeleiderschakelingen te bouwen met specificaties die middels buizentechniek niet haalbaar waren. Philips heeft dit project opgepikt en reeds in 1968 verscheen er een compleet uitgewerkt artikel in het Philips Technisch Tijdschrift, geschreven door de heren ingenieurs J.A. Klaassen en S.H. de Koning, medewerkers van het Philips NATLAB.

Artikel uit het Philips Technisch Tijdschrift uit 1968 (3.617 kB)

Octrooi en Patent

In 1973 heeft Philips octrooi aangevraagd op de toepassing van een piëzo-elektrische versnellingsopnemer die, gemonteerd in het hart van de luidspreker, een bruikbaar signaal afgeeft dat bruikbaar is voor correctie van het luidsprekersignaal. In Nederland is dit octrooi bekend onder nummer NL7308103. In de Verenigde Staten bestaat dit patent onder nummer US3941932. Van de beide documenten is hieronder een digitale versie ter inzage beschikbaar.

Octrooi NL7308103

US Patent 3941932

Promotie en publiciteit

Motional Feedback was begin jaren zeventig een revolutionaire ontwikkeling waarmee Philips als eerste de markt betrad. “Een omwenteling in kwaliteitsgeluidsweergave” zoals het Hifi-team het zelf noemde. Het was dus van levensbelang om de directie én de markt enthousiast te maken voor dit tot dan toe onbekende product. Om die reden werden diverse publicaties voor zowel intern als extern gebruik geschreven waarin de voordelen van het systeem uitgebreid werden toegelicht. Onlangs hebben wij zo’n uniek document in bezit gekregen. Het betreft een uitgebreide uiteenzetting van de voordelen, de toepassing en de werking van de Motional Feedback box 22RH532. Het document bevat ook tekeningen van het prototype van de box voor de beeldvorming van de lezer. Enkele opvallende verschillen zijn hierbij te zien ten opzichte van het uiteindelijke productiemodel!

De 60 Watt High Power Motional Feed Back Luidsprekerbox: Een Omwenteling in Kwaliteitsgeluidsweergave

Technologische vooruitgang

Mede door ontwikkeling van de FET, de Field Effect Transistor, is het mogelijk geworden om het Motional Feedback weergavesysteem te ontwikkelen. De grillige impedantiekarakteristiek en capacitieve eigenschappen van het piëzo-elektrische materiaal maakten het lastig om stabiele systemen te ontwikkelen. Resonantie was één van de belangrijkste problemen, en dankzij het gebruik van een FET in het terugkoppelcircuit is Philips er in geslaagd een stabiel terugkoppelsysteem te creëren. Het onderstaande artikel uit de ELEX (jeugduitvoering van Elektuur) beschrijft eenvoudig de werking van een FET.

Artikel uit de Elex over de werking van een FET (2.837 kB)

Zelfbouw projecten

Natuurlijk werd ook in de hifi zelfbouwwereld enthousiast gereageerd op het idee van Motional Feedback. Het tijdschrift Elektuur publiceerde reeds in 1973 een recentie over de Philips 22RH532 Motional Feedback box, die werd uitgelicht als zijnde een “Sonant”. Tevens werd de technische werking van het systeem uitgebreid toegelicht. Dit artikel is via de onderstaande link te downloaden:

Elektuur september 1973: recentie 22RH532 en uitleg Motional Feedback systeem

Twee jaar later werd dit artikel in het Engelstalige zusterblad Elektor nogmaals gepubliceerd, ditmaal met een interessante toevoeging; Elektor had een ontwerp van een actieve drieweg MFB box toegevoegd. Dat artikel hebben we uiteraard ook in bezit, klik hieronder om te downloaden.

Elektor 1975: Philips Sonant, uitleg Motional Feedback en eigen ontwerp MFB systeem

De Belgische wetenschappers De Greef en Vandewege schreven voor het vooraanstaande Amerikaanse elektronica tijdschrift “Wireless World” in 1981 een zelf ontwikkeld Motional Feedback systeem, dat maar liefst twee Philips AD8067 MFB woofers gebruikte en is geïnspireerd door de 22RH532 maar een uitgangsvermogen heeft van 120 Watt RMS. Of men vervolgens het signaal van één of beide PXE elementjes in de schakeling verwerkt, wordt niet direct duidelijk.

Artikel uit Wireless World – September 1981

Het idee van bewegingsterugkoppeling bleef de zelfbouwmagnaat interesseren; in 1986 publiceerde Elektuur opnieuw een artikel over Aktieve LS-tegenkoppeling. Hierin werd een aangepaste versie van het Philips MFB systeem gepubliceerd dat dankzij het gebruik van de inmiddels beschikbare OpAmps sterk vereenvoudigd was. Ik heb de basis van deze schakeling zelf gebouwd, maar heb hier helaas nog geen werkend project van kunnen maken. Het betreffende artikel is hier te downloaden.

Elektuur artikel uit 1986 betreffende Aktieve LS-tegenkoppeling

Ook het tijdschrift SpeakerBuilder, tegenwoordig bekend onder de naam AudioXpress, wijdde in 1990 een artikel aan “An Acceleration Feedback System”. Dit artikel vertoont veel gelijkenis met het Elektuur artikel, al wordt de theorie hier dieper uitgelegd. Ook wordt aan het einde van het artikel aan enkele zeer interessante bronnen gerefereerd.

An Acceleration Feedback System uit de SpeakerBuilder van 1990