home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The World of Computer Software / World_Of_Computer_Software-02-385-Vol-1of3.iso / t / t_s_wk1.zip / HOWTO.TXT < prev    next >
Text File  |  1992-03-16  |  16KB  |  343 lines

  1.  
  2.               THIEL-SMALL PARAMETER SPREADSHEET INSTRUCTIONS
  3.  
  4. HISTORY:
  5.  
  6. This procedure and spreadsheets have been evolving for more than 
  7. 12 years.  The proceedure is based on Ashley & Swan's 1969 AES 
  8. paper "Experimental Determination of Low-Frequency Loudspeaker 
  9. Parameters".  Numerous refinements have been added over the years.  
  10. Most of the improvements came from Small's work, a few from unknown 
  11. sources, and a couple from me.
  12.  
  13. The arithmetic involved is straightforward but lengthy and tedious.  
  14. By automating the calculations, mathematical errors are eliminated.  
  15. Additionally, the spreadsheet organizes the gathering of input data, 
  16. makes all the unit conversions, and prints the results.
  17.  
  18. ACCURACY:
  19.  
  20. All input data must be accurately measured for the results to be 
  21. valid.  Frequencies, resistances, diameters and mass should be 
  22. measured to the precision recommended for the test equipment.  Once 
  23. the user becomes proficient with the technique, accurate results can 
  24. be produced in as little as 2 minutes per driver.  
  25.  
  26. The beauty of this procedure is that it uses general purpose test 
  27. equipment rather than exotic, and expensive loudspeaker specific equip-
  28. ment.  
  29.  
  30. EQUIPMENT REQUIRED:
  31.  
  32.      Stable sine wave generator that goes from 2 or 3 Hz to 20000 Hz.
  33.      (10 Hz to 200 Hz will work for 95% of all woofers)
  34.  
  35.      A frequency counter with 0.1 Hz resolution or better.
  36.      (Don't even think about using the oscillator's dial)
  37.  
  38.      Digital ohm meter with .1 ohm resolution or better.
  39.  
  40.      Oscilloscope with balanced vertical input, good horiz sensitivity
  41.      (AF "interstage" transformer can eliminate the bal input reqmt)
  42.  
  43.      2 AC milivolt meters -- must have identical low freq rolloff.
  44.  
  45.      An 18" steel rule calibrated in .01 inch increments.
  46.  
  47.      A gram scale.  0.1 gm resolution. (not a postal scale!)
  48.  
  49.      A power amplifier capable of > 20 volts rms output.  (50 watts)
  50.  
  51.      A precision power resistor - 10 ohms, 20 watts.
  52.  
  53.      Some permanently stick putty.  About 50 gms.
  54.  
  55.      Test boxes -- not needed if "delta mass" compliance method used.
  56.  
  57.      Means of suspending the driver with cone in vertical plane.
  58.  
  59.      An attenuator if sine wave generator does not have one.
  60.  
  61.      A computer with Lotus 1-2-3 or ".WK1" compatible spreadsheet.
  62.  
  63. CONFIGURATION:
  64.  
  65. One of the two AC milivolt meters must be "floating".  I.E. not 
  66. grounded.  Use a grounded plug adapter to "float" the power plug or 
  67. power it from an isolation transformer.  Be sure the meter's case does 
  68. not touch other equipment or metal parts of the work bench.  The float-
  69. ing meter will be used to indicate |Z|.
  70.  
  71. The scope should have a balanced vertical input.  Otherwise, use a 
  72. high quality "interstage" transformer to isolate the scopes vertical 
  73. input.  This transformer should be a 1:1 isolation transformer with 
  74. impedance in the 5 K ohm range.
  75.  
  76. Place the scope, oscillator, amplifier, and meters close together so 
  77. that you can reach all the controls and see the scope and meters all 
  78. at the same time.  You will be adjusting level, and frequency while 
  79. simultaneously watching the scope and both meters.
  80.  
  81. Connect the frequency counter to the oscillator.  If the oscillator 
  82. has a square wave output, attach the counter to it.  Otherwise use the 
  83. sinewave output.
  84.  
  85. Hook the audio generator output to the amplifier input.  (Through the 
  86. attenuator if you are using one.)
  87.  
  88. Prepare two test leads.  Put alligator clips at one end of each and 
  89. strip and tin the other ends.  Length should be about 3 feet.  Attach 
  90. the tinned end of one lead to the (+) amplifier output.  Run a wire 
  91. from the (+) amplifier output to the input of the "|Z|" meter -- the 
  92. one that is floating.  Run a wire from the (+) amplifier terminal to 
  93. one of the scopes floating vertical inputs.  
  94.  
  95. Run a wire from the "|Z|" meters "ground" to the hot input of the "I" 
  96. meter.  Connect the "I" meters ground to the amplifiers ground.  Con-
  97. nect the precision 10 ohm power resistor across the "I" meters ter-
  98. minals.
  99.  
  100. Hook the junction of the "|Z|" meter (-), "I" meter (+), and power 
  101. resistor to the scope's other vertical input.  Run a wire from this 
  102. vertical input over to the horizontal input.  Connect the other test 
  103. lead to this point as well.
  104.  
  105. Attach a woofer to the two test leads.  Set the volt meters to the 1 
  106. volt scale.  Turn oscillator and amplifier all the way down and power 
  107. up everything.  Set the scope for X-Y operation.
  108.  
  109. Here is a description of the hook-up using the SPICE node listing for-
  110. mat.  Note, it will not run in spice.  Its only purpose is to unam-
  111. biguously describe the hook-up to users who are familiar with SPICE.
  112.  
  113. Vgen      1 0 ; audio generator
  114. Counter   1 0 ; counter w 3 Hz low freq cutoff, .1 Hz resoln
  115. *
  116. *      common input output
  117. Atten     0     1     2        ; attenuator (if used)
  118. *
  119. *      common input  output
  120. Pamp      0     2     3        ; Power amplifier 50 watt or more
  121. *
  122. Meter1    3 4  ; "Z" meter, must have "floating ground".
  123. Meter2    4 0  ; "I" monitor meter.  Can have grounded chassis.
  124. Rsense    4 0  ; 10 ohm 20 watt 1% current sense resistor
  125. Spkr      3 4  ; driver under test
  126. *     scope connections 
  127. *     Vin1  Vin2  VinGnd  Hin  HGnd
  128. Scope  3     4      0      4    0 ;  Balanced V in, X-Y capable scope
  129.  
  130. When everything is working you should see a lissajous pattern on the 
  131. scope.  The trace will look like a diagonal line, a figure 8, or an 
  132. oval.  As you tune through driver resonance, you will see the oval col-
  133. lapse into a diagonal line and then expand out again on the other side 
  134. of resonance.  
  135.  
  136. Start your spreadsheet program and load 0MASS_TS.WK1 or 0_BOX_TS.WK1.  
  137. Be sure your computers clock is set.  Both spreadsheets include an 
  138. automatic date stamp that reads the internal clock.  As soon as the 
  139. spreadsheet loads, the macro will take over and present you with a 
  140. custom control bar.  Enter your initials, then use Ctrl Break to stop
  141. the macro.  Use /wgpd to unprotect the worksheet.  Go to A74 and enter 
  142. the reset code for your printer.  Consult your printer manual, or try 
  143. ||\027@ for dot matrix printers, or ||\027E for laser printers.  Hit 
  144. "Home" then move the cursor back to the right of "TYPE: ", and turn 
  145. protection back on with /wgpe, then save the file under its original 
  146. name.  Use /fr to re-load the spreadsheet and try out the print routine 
  147. to make sure your print code is working properly.  If you have difficulty 
  148. with the printer codes, simply put the cursor on A74 and use /wp to put a 
  149. page break into cell A74.  This works except that it leaves a blank 
  150. page in some laser printers.
  151.  
  152. In 0MASS_TS.WK1, Vas is calculated from the resonance shift due to 
  153. attachment of a known mass to the cone.  In 0_BOX_TS.WK1, Vas is calcu-
  154. lated from the difference between free air resonance and resonance in 
  155. a box of known volume.  Each technique has its pluses and minuses.  
  156. The delta mass method is quicker, but is quite sensitive to errors in 
  157. the "DIA" measurement which must be estimated by the user.  The resonant
  158. frequency with mass attached as well as the mass itself must be very
  159. carefully determined.
  160.  
  161. 0_BOX_TS.WK1 requires a test box of known volume and calculation of the 
  162. volume inside the cone.  This method is sensitive to air leaks.  Either 
  163. method is capable of excellent accuracy if all measurements are done 
  164. meticulously.
  165.  
  166. If you are using 0_BOX_TS.WK1, calculate the volume change that will 
  167. be caused by the drivers presence.  This volume will add to or sub-
  168. tract from the test box volume depending on how the driver is mounted.  
  169. Use consistent units.  Cubic inches, liters, cubic meters etc.  If you 
  170. mount the driver facing out, remember to subtract the volume occupied 
  171. by the magnet as well as the cone.
  172.  
  173. Press <ENTER> to begin filling out the sheet.  You will be stepped 
  174. through the spreadsheet by the macro.
  175.  
  176. If you make a mistake entering a number simply backspace over the num-
  177. ber and re-enter it.  If you hit the enter key before noticing
  178. your error, you must stop execution of the macro by using control-
  179. break.  You can start over, or simply make the correction 
  180. and then complete the input portion of the spreadsheet manually.
  181. To print the results, manually activate the print macro using Alt P.  
  182.  
  183. Once you have filled out the sheet, the command bar will appear.  High-
  184. light PRINT and hit <ENTER> to print the filled out worksheet.
  185. "PRINT" prints 2 pages.  The first page is the full spreadsheet with
  186. all input and calculated results.  The second contains just the key 
  187. parameters printed in a small area.  This area can be snipped out and 
  188. attached to the driver for reference.  
  189.  
  190. STEP BY STEP INSTRUCTIONS:
  191.  
  192. 1.   Press <ENTER> to select "BEGIN".
  193.  
  194. 2.   Fill in the type number and hit enter.  Likewise, fill in the 
  195.      sample number, and the manufacturer names.
  196.  
  197. 3.   Measure the effective piston diameter which includes part of the 
  198.      surround.  If the surround is foam measure DIA from the top of 
  199.      the roll to the top of the roll.  If the surround is rubber 
  200.      measure from approximately 1/2 way up the side of the roll to the 
  201.      corresponding point on the opposite side.  Enter this dimension 
  202.      in decimal inches.
  203.  
  204. 4.   Measure the dc resistance of the voice coil and enter it.
  205.  
  206. 5.   Suspend the driver in free air with the cone in the vertical 
  207.      plane.  Note: a "hangmans noose" works great for this -- just put 
  208.      it around the driver's magnet.  
  209.  
  210. 6.   Connect the test equipment.  Increase the drive level while watch-
  211.      ing the lissajous pattern on the scope.  Adjust the frequency of 
  212.      the oscillator to resonance.  The loop will close to a straight 
  213.      line at resonance.  Continue increasing level and readjusting to 
  214.      keep the loop closed.  At larger excursions, the loop will look 
  215.      more like a script "figure 8."  
  216.  
  217.      Set the drive level for the highest "1" reading on the "I" 
  218.      monitor that still shows good linearity of the lissajous pattern.  
  219.      The "1" on the "I" monitor represents the current through the 
  220.      driver.  It will be 1 mA, 3.2 mA, 10 mA, 32 mA, 100 mA, 320 mA, 
  221.      or 1000 mA, etc.  Do the test at one of these levels.  100 mA or 
  222.      320 mA is suitable for most woofers.  1 volt across 10 ohms is 
  223.      100 mA, or on the next scale, "1" will actually be 320 mA.
  224.  
  225. 7.   Attach enough mass to the cone so that the resonant frequency is 
  226.      decreased substantially.  Enter the mass in grams at "DELTA 
  227.      MASS".  Tune for a diagonal line, check the frequency,  and enter 
  228.      the resonant frequency at "RESONANCE W MASS".  Remove the mass.  
  229.  
  230. 8.   Weigh out the mass for the fsb measurement.  The required mass 
  231.      appears to the right of the cursor.  Attach this mass to the 
  232.      cone.  Keep the current constant (at "1"), and find the new 
  233.      resonant frequency where the loop closes.  Enter it at "Fsb".  
  234.  
  235. 9.   Remove the fsb mass and retune to resonance.  Double check the 
  236.      current on the "I" monitor.  Make sure it is 1.00.  Enter the fre-
  237.      quency at "Fsa".
  238.  
  239. 10.  Read the impedance magnitude from the "Z" meter.  Enter this at 
  240.      "Z MAG @ Fsa".  When taking this measurement, note if the scales 
  241.      for the "I" meter, and "Z" meter are the same.  If they are then 
  242.      the "Z" meter will be 30 ohms full scale.  If the "Z" meter is on 
  243.      the next higher scale, then full scale will be 100 ohms,  If it 
  244.      is 2 scales higher then full scale will be 300 ohms.
  245.  
  246. 11.  The spreadsheet will calculate the magnitude of the -3 dB points 
  247.      on the impedance curve and wait for you to enter the lower of the 
  248.      two frequencies where the impedance magnitude is equal to this 
  249.      value.  Keep the current constant, tune through resonance and 
  250.      find the other frequency where |Z| = this number.  Then enter the 
  251.      upper frequency.
  252.  
  253. 12.  The spreadsheet will now calculate the Thiel-Small and mechanical 
  254.      parameters.
  255.  
  256. 13.  Highlight "PRINT" and hit <ENTER>.  The second page of the prin-
  257.      tout has the key parameters printed in a small area.  Cut this 
  258.      out and attach it to the driver.
  259.  
  260. General advice:
  261.  
  262. Practice reading impedances from the "Z" meter.  Start with several 
  263. fixed resistors in the 20 to 100 ohm range.  Resistors simplify the 
  264. learning process because their resistance is not a function of fre-
  265. quency.  Put a 22 ohm resistor in place of the woofer.  Set the cur-
  266. rent for a "1" reading on the current monitor.  Look at the "Z" meter 
  267. and notice that the pointer is at 2.2 on the 3 scale.  (22 ohms).  Try 
  268. a higher resistance.  Perhaps 50 ohms.  Increase level until you have 
  269. "1" on the current monitor.  Click the "Z" meter range switch up to 
  270. the next range, and notice that the pointer indicates 5 on the 0-10 
  271. scale, or 50 ohms.  Try clicking both meters down 1 range.  Readjust 
  272. level for "1" on the current monitor.  Notice that the correct resis-
  273. tance is still in the same spot on the "Z" meter scale.
  274.  
  275. Remember, your hand and the attenuator function as a "constant current 
  276. source".  At first you will find it difficult and frustrating coor-
  277. dinating one hand on the attenuator and the other on the oscillator 
  278. while trying to find a frequency where current and impedance are what 
  279. you want.  But after a while, this all becomes second nature and much 
  280. more efficient than it is the first time.
  281.  
  282. It is a good idea to save backups of these spreadsheets.  Store them 
  283. in the directory with Lotus using some extension other than WK1, or 
  284. keep them on a write protected floppy disk.  That way the original 
  285. blank spreadsheet can be restored if disaster befalls your working 
  286. copy.
  287.  
  288. When using the "delta mass" method to find Vas, first measure fsa, 
  289. then stick on enough dmass to drop fm to about 1/2 fsa.  Measure fm 
  290. carefully and weigh dmass carefully.  DIA is critical with this 
  291. method.
  292.  
  293. With small drivers, the box method often gives better Vas results.  
  294. The larger the ratio of surround area to cone area, the more difficult 
  295. it is to correctly estimate DIA.  The drawbacks of the box method come 
  296. from uncertainty about the effective test box volume which either in-
  297. cludes the volume of the cone, or if the driver is mounted the other 
  298. way, is reduced by the space occupied by the magnet, basket, and cone.  
  299. Air leaks also reduce the accuracy.
  300.  
  301. One way to know if Vas is in the ball park is to compare calculated 
  302. sensitivity to measured.  If the 1W-1M SPL is close to the measured 
  303. sensitivity then Vas is probably close too.  Note, the SPL calculation 
  304. is for radiation into 1/2 space.  It is a function of fsb cubed so 
  305. tiny errors in fsb can throw it way off. 
  306.  
  307. If you want to use the box method, you should construct some air tight 
  308. boxes with openings to fit the drivers you expect to be testing.  5 
  309. liters, 10 liters, 15 liters, and 30 liters will permit measurements 
  310. on most woofers and open back midranges.
  311.  
  312. The macro is stored way off to the right and down from the working 
  313. area of the spreadsheet.  In fact it is at GF 5000.  This cell is 
  314. named "macro", so to examine the macro, hit F5, type in macro and hit 
  315. enter.
  316.  
  317. Lastly, do not make changes to the spreadsheet, its macro, or this 
  318. documentation.  Do not separate them.  If you discover any problems, 
  319. please let me know.
  320.  
  321. I reserve all rights to this work.  I am making it available to the 
  322. loudspeaker manufacturing and hobbyist community in the hope that it 
  323. will contribute to better sounding speakers for all.  You may dis-
  324. tribute it so long as there is no more than a $5.00 charge to cover 
  325. the costs involved in duplication, and there are no changes made to 
  326. the spreadsheets, or the text files.  If you find this work useful, 
  327. send money.  I gladly accept donations.  I do not suggest any par-
  328. ticular amount, nor do I offer anything beyond my most sincere thanks 
  329. in return for the donation.
  330.  
  331. Michael Thompson
  332. Director of Engineering, KLH loudspeakers
  333. 11131 Dora St
  334. Sun Valley, CA 91352
  335. Tel: (213) 875-0480  Fax: (818) 504-0966
  336.  
  337. Version 1.1 March 16, 1992
  338.  
  339.  
  340.  
  341.  
  342.  
  343.