home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The X-Philes (2nd Revision) / The X-Philes Number 1 (1995).iso / xphiles / hp48hor1 / spkr.doc < prev    next >
Text File  |  1995-03-31  |  12KB  |  227 lines

  1. (Comp.sys.handhelds) 
  2. Item: 2002 by bill at flutter.tv.tek.com 
  3. Author: [William K. McFadden] 
  4.   Subj: Speaker Design Equations 
  5.   Date: Fri Feb 08 1991 
  6.  
  7. I have put together a library of equations for designing ported and 
  8. closed-box speaker enclosures.  The basic design equations were taken from 
  9. a couple of hobbyist-oriented speaker design books.  The power rating 
  10. equations were taken from papers by Richard Small (see references below). 
  11.  
  12. The equations are intended to be used with the multiple equation solver in 
  13. the equation library ROM card.  I welcome any comments or refinements. 
  14.  
  15. The main directory is called SPKR and consists of two subdirectories: 
  16.  
  17. CB      Closed Box Design 
  18. PORTED  Ported Box Design 
  19.  
  20. Running the multiple equation solver from either subdirectory will produce 
  21. a menu of variables: 
  22.  
  23. Vas     Volume of air having same acoustic complaince as driver suspension 
  24. Qts     Total driver Q at Fs 
  25. Fs      Resonant frequency of driver 
  26. SPL     Efficiency of driver in dB SPL at 1W/1m 
  27. DIA     Diameter of driver 
  28. xmax    Peak displacement limit of driver diaphragm (1/2 of "throw") 
  29. Vb      Inside volume of enclosure 
  30. Fb      Resonance frequency of enclosure 
  31. F3dB    Half-power (-3 dB) frequency of loudspeaker system response 
  32. dBPEAK  Maximum peak or dip of loudspeaker system response 
  33. Par     Acoustic power rating 
  34. PeakSPL Equivalent sound pressure level (at 1m) of acoustic power rating 
  35. Per     Electrical power rating (worst case) 
  36. \Gno    Percent driver efficiency (\Gn is greek character eta) 
  37. Sd      Effective projected surface area of driver diaphragm (approximated) 
  38. Vd      Peak displacement volume of driver diaphragm 
  39.  
  40. In addition, the following variables are defined for the closed box case: 
  41.  
  42. Qb      Total Q of system at Fb 
  43. AMAX    Maximum amplitude of loudspeaker system response: 10^(dBPEAK/20) 
  44. Vr      Ratio of Vas to Vb 
  45. Qr      Ratio of Qb to Qts and Fb to Fs 
  46.  
  47. For the ported box case, the following apply: 
  48.  
  49. 1. Fb is the tuning frequency for the vent. 
  50. 2. Most of the results are approximate. 
  51.  
  52. To use, run MSOLVR in either directory.  Enter the speaker parameters into 
  53. the variables Vas, Qts, Fs, SPL, DIA, xmax.  (If you don't have all the 
  54. parameters available, purge the ones you don't know, so they'll be 
  55. undefined and the solver won't attempt to use them.)  For the closed-box 
  56. case, define one of Vb or Qb and solve for the other (or make it a 
  57. calculated value with MCALC).  Pressing <- ALL will solve for all the 
  58. unknowns for which a solution exists (indicated by a small box in the 
  59. menu).  This takes about 2.5 minutes for the closed box and about half as 
  60. long for the ported box. 
  61.  
  62. To find the optimum box size for the closed box system, set Qb=0.707 
  63. (=1/sqrt(2)) and solve for Vb.  Solving for Vb for the ported box always 
  64. finds the optimum box size.  The optimum box size is defined as the size 
  65. which produces no peak or dip in the frequency response (e.g., dBPEAK=0).  
  66. (A B2 response is used for the optimum closed box, and B4 for the ported 
  67. box.) 
  68.  
  69. To solve for given box size, for the closed box system, enter a value for 
  70. Vb, type 'Qb' MCALC, and solve for any or all unknowns.  For the ported 
  71. box, enter a value for Vb and solve for the unknowns.  To return to the 
  72. optimum enclosure, for the closed box, set Qb = 0.707 and type 'Vb' MCALC.  
  73. For the ported box, type 'Vb' MCALC. 
  74.  
  75. To run a frequency response plot, press -> PLOT.  The X axis is frequency, 
  76. and the Y axis is the magnitude of the response in dB. Change the ranges, 
  77. if desired, and press ERASE and DRAW.  It takes about a minute for the 
  78. closed box, and four minutes for the ported box. 
  79.  
  80. You can also use the built-in solver to locate points of interest in the 
  81. frequency response by pressing -> SOLVE. 
  82.  
  83. If you get curious, the design equations are in a list called DESIGN.EQ, 
  84. and the frequency response equation is in a variable called RESPONSE. 
  85.  
  86. There is a subdirectory in CB called EQUALIZER that will find the component 
  87. values for an active equalizer that can extend F3dB of any closed box 
  88. system to any desired lower limit (at the expense of efficiency and power 
  89. handling--watch out!)  See pp. 142 of the March 1990 AES Journal for theory 
  90. and circuit details. 
  91.  
  92. First, use the multiple equation solver in the CB directory to solve for 
  93. the system as shown above.  Next, enter the EQUALIZER subdirectory.  Enter 
  94. the new desired cutoff frequency into F3dB, and press CIRCUIT.  The 
  95. component values will appear in the display.  The values of R, C, N are 
  96. chosen by the user to make the remaining component values realistic (see 
  97. article). 
  98.  
  99. You can run a response plot of the equalizer with -> PLOT.  It's pretty 
  100. interesting, but takes FOREVER (like 20 min.).  The reason is I copied the 
  101. equations right out of the article without any optimization for speed.  (If 
  102. anybody wants to tackle this, be my guest.)  Wherever possible, I left out 
  103. the units so it would run faster.  You can also solve for points of 
  104. interest with -> SOLVE.  The point where maximum boost occurs is at F3dB.  
  105. If you put this in for f and solve for dB, you will see how much boost is 
  106. needed without having to wait all day. (Don't enter values for Fb and Qb; 
  107. they are defined in the parent directory, and entering values will redefine 
  108. them locally.  If you do this by mistake, purge Fb and Qb.)  Efficiency and 
  109. power handling of the system at this frequency will be degraded by this 
  110. amount if the equalizer is used.  This gives a pretty good worst case 
  111. scenario. 
  112.  
  113. Don't be surprised if more than 20 dB of boost is needed to get down to 20 
  114. Hz, even for large drivers.  "There ain't no such thing as a free lunch."  
  115. If you don't need the equalizer program, just PGDIR the EQUALIZER 
  116. subdirectory.  Doing so will save about 1.6K. 
  117.  
  118. By the way, the default speaker parameters when you first download the file 
  119. are for the Eminence 18029 18" driver. 
  120.  
  121.  The following is a small tutorial on speaker enclosures. 
  122.  
  123.  
  124.  
  125. An optimum enclosure is defined as one that has no peak or droop in the 
  126. passband. 
  127.  
  128. The power rating of each driver is given in watts RMS.  This is the 
  129. continuous thermal power rating of the speaker.  Most speakers can handle 
  130. two to four times as much power for brief periods without overheating. 
  131.  
  132. The efficiency of the speaker is given in decibels of sound pressure level 
  133. (SPL).  0 dB SPL is defined as 2.0E-10 bar (2.0E-5 N/m^2), which is the 
  134. lowest level of 1 KHz tone the ear can detect.  A 10 dB increase in SPL 
  135. results in an apparent doubling of the loudness and requires 10 times as 
  136. much acoustic power.  Accordingly, a 10 dB decrease halves the loudness and 
  137. reduces the acoustic power by a factor of 10. 
  138.  
  139. Most driver manufacturers specify the SPL of the driver with a one watt 
  140. input measured at a distance one meter away.  To calculate the SPL at other 
  141. power levels, add the following number to the SPL rating: 10*log(POWER), 
  142. where POWER is in watts, and the log is base 10.  This equation is derived 
  143. from the fact that a doubling of electrical power produces an doubling of 
  144. acoustic power.  To calculate the SPL at other distances, subtract the 
  145. following number from the SPL rating: 20*log(DISTANCE), where distance is 
  146. in meters.  This equation is derived from the inverse square law of wave 
  147. propagation. 
  148.  
  149. One watt of acoustic power is equal to about 112 dB SPL at one meter. To 
  150. calculate the efficiency of the speaker in percent, use the following:  
  151. %EFFICIENCY = 100*(10^((RATING - 112)/10)), where RATING is the driver's 
  152. SPL rating in dB, at one watt, measured at one meter.  For example, a 
  153. driver with a 92 dB SPL rating @ 1W/1m is 1% efficient. 
  154.  
  155. For the sealed box enclusure, the optimum volume in cubic feet can be 
  156. determined.  Many designers like to use a 0.62:1:1.62 ratio for the cabinet 
  157. dimensions.  This is known as the golden ratio.  A box designed to this 
  158. ratio will be less peaky than one whose dimensions are equal. Another ratio 
  159. sometimes used is 0.8:1:1.25.  You can determine the middle dimension by 
  160. taking the cube root of the enclosure volume. (Keep in mind this is the 
  161. inside volume and doesn't take into account the volume taken up by bracing 
  162. materials and the driver itself.)  The box will have a resonant frequency 
  163. and a Q.  For an optimum sealed box, the resonant frequency is equal to the 
  164. -3dB point, and the Q is 0.707. The frequency (in Hz) at which the 
  165. speaker's response is 3 dB down can be found.  This is also known as the 
  166. half-power point, because it is the frequency at which the acoustic output 
  167. power drops by half.  Below this frequency, the response will have a second 
  168. order roll off, e.g., the output decreases 12 dB for every halving of the 
  169. frequency below the -3 dB point. 
  170.  
  171. The ported enclosure is a little more complicated.  As with the sealed box, 
  172. the ported enclosure has an optimum volume (stated in cubic feet) and -3 dB 
  173. point (stated in Hz).  The speaker also has a tuning frequency, called Fb.  
  174. This is the resonant frequency of the enclosure's duct.  The tuning 
  175. frequency is determined by the cross sectional area and length of the duct.  
  176. You may consult a book on speaker design to determine the proper duct size.  
  177. Ported enclosures have a steeper roll off than sealed boxes.  The roll off 
  178. is fourth order, or 24dB for every halving of the frequency below the -3dB 
  179. point.  At very low frequencies, the driver will be undamped, hence the 
  180. speaker could be damaged by excessive cone movement.  It is therefore wise 
  181. to roll off the signal below the -3dB frequency to avoid damage. This 
  182. constraint does not apply to sealed boxes, which damp cone movement at all 
  183. frequencies. 
  184.  
  185. REFERENCES: 
  186.  
  187. [1] Hobbyist speaker building books, such as the one sold at Radio Shack. 
  188.  
  189. [2] L.L. Beranek, Acoustics (McGraw-Hill, New York, 1954). 
  190.  
  191. [3] J.F. Novak, "Performance of Enclosures for Low-Resonance 
  192. High-Compliance Loudspeakers," J. Audio Eng. Soc., vol. 7, p 29 (Jan. 
  193. 1959). 
  194.  
  195. [4] A.N. Thiele, "Loudspeakers in Vented Boxes, Parts I and II," J. Audio 
  196. Eng. Soc., vol. 19, pp. 382-392 (1971 May); pp. 471-483 (1971 June). 
  197.  
  198. [5] R.H. Small, "Direct-Radiator Loudspeaker System Analysis," J. Audio 
  199. Eng. Soc., vol. 20, p. 383 (June 1972). 
  200.  
  201. [6] R.H. Small, "Closed-Box Loudspeaker Systems," J. Audio Eng.  Soc., vol. 
  202. 20, p. 798 (Dec. 1972), and vol. 21, p. 11 (Jan/Feb 1973). 
  203.  
  204. [7] R.H. Small, "Vented-Box Loudspeaker Systems," J. Audio Eng.  Soc., vol. 
  205. 21, (four parts, starting in the June 1973 issue). 
  206.  
  207. [8] W.M. Leach, Jr., "A Generalized Active Equalizer for Closed-Box 
  208. Loudspeaker Systems," J. Audio Eng. Soc., Vol. 38, pp. 142-145 (March 
  209. 1990). 
  210.  
  211. [1] is useful as an introduction and has a lot of construction tips. 
  212. [2] is a standard reference text that seems to be the industry bible. 
  213. [3] is historically significant, and is the foundation for [4]. 
  214. [4] and [6] are the landmark works on loudspeaker systems (you can't 
  215. consider youself knowledgeable without having read them). 
  216. [5] is background for [6], and [7]. 
  217. [7] updates the original work of [4]. 
  218. [8] is a recent paper that shows how to equalize closed-box systems to any 
  219. desired low-frequency cutoff.  [3], [4], [5], [6], and [7] are reprinted in 
  220. the AES two-part "Loudspeakers" anthology. 
  221. --  
  222. Bill McFadden    Tektronix, Inc.  P.O. Box 500  MS 58-639  Beaverton, OR  
  223. 97077 
  224. bill@videovax.tv.tek.com,     
  225. {hplabs,uw-beaver,decvax}!tektronix!videovax!bill 
  226. Phone: (503) 627-6920             "SCUD: Shoots Crooked, Usually Destroyed" 
  227.