[HowTo] Der Lautsprecher - Xmax & Schwingspule erklärt für Einsteiger

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#1

Beitrag 14. Sep 2021 00:13

Servus,

heute widmen wir uns dem Thema Xmax, als Fortsetzung vom Thema
Der Lautsprecher - Einzelteile & Funktion für Einsteiger


Eigentlich eine simple Geschichte, oder doch nicht?
Oft diskutiert, oft aber auch zu wenig beachtet, oft herrscht Verwirrung und Fragen tauchen auf.


Begriffserklärung in kurz:
Xmax - Physikalische Auslenkung in mm, je Richtung und
bei Überhang (üblich): die Wicklung den Spalt nicht verlässt / bei Unterhang: Zwischen der Polplatte bleibt
Da es aber diverse Rechenmethoden gibt, steht Xmax mittlerweile eigentlich für "Max Auslenkung mit niedrigen Verzerrungen"
Xlin - sollte eigentlich das gleiche wie Xmax sein, da es aber diverse Rechnenmethoden gibt, entsprich Xlin (linear) vorigem Text von Xmax
Xlim - Lim steht für Limit", entweder ist hier ein mechanisches Limit erreicht, oder der Kurzschlussring verhindert weitere Auslenkung
Xmech - Ähnlich Xlim, hier ist das mechanische Limit erreicht, ab hier entstehen Schäden mechanischer Art, z.B. Anschlag an der hinteren Polplatte
Xdamage - Wie Xmech, auch ab hier entstehend mechanische Schäden
Peak2Peak - Wie Xdamage, jedoch zählt hier der gesamte Hub, also Vor+Zurück, so entspricht der Wert dem Doppelten von Xdamage
Xvar - Diesen Wert geben manche Hersteller an, idR. beschreibt er, ab wann mindestens ein Parameter nur noch 50% seines Wertes aufweist, z.B. BL, CMS, KMS o.Ä.


xmax-vc01.png
3 Arten von Schwingspulen

Es gibt 3 Grund-Aufbauarten, bzw. Spulenarten, die Überhangspule und die Unterhangspule sind die wohl Bekanntesten.
man findet aber auch Bauarten vor, bei welchen Polplatte und Wicklung die gleiche Höhe aufweisen.
Ganz klassisch ist die Überhangspule, diese ist höher gewickelt als die Polplatte und nur ein Teil der Wicklung befindet sich Magnetfeld.
Bei der Unterhangspule, ist die Wicklung kleiner als die Polplattenhöhe, somit befindet sich die Spule immer im kompletten Magnetfeld.
Die Formel dafür ist quasi identisch, üblicherweise bietet dieser Aufbau wesentlich weniger Auslenkung.
Beide Arten haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile. Dies zu erläutern, würde diesen Artikel aber sprengen, gerne dürft hier hierüber aber diskutieren ;-)




Schauen wir uns das Ganze mal anhand eines üblichen Überhang-Systems mal genauer an:

xmax01.png
Xmax und damage

Xmax
Wir sehen in rot die obere Polplatte, dazwischen befindet sich die Schwingspule.
Sie sitzt genau in der Mitte, dies nennt man den Nullpunkt, oder Nulllage, oder Ruhelage, hierhin "fährt" die Membran/Spule immer zurück,
also in die Ausgangs- oder Ruheposition.
Im unteren Bild sehen wir wann Xmax erreicht ist, sobald die Spule das "Ende" der oberen Polplatte erreicht, also noch nicht den Spalt verlässt.
Somit können wir das sogenannte physikalische (linare) Xmax ganz leicht errechnen:
(Wickelhöhe "Hvc" / Polplattenstärke "Hg") /2
H steht für "Height", vc für "VoiceCoil" (teils auch nur Hv) und g für "Gap" (Luftspalt-Tiefe)

Z.B. eine Wickelhöhe von 10mm, 5mm Polplattenstärke: (Hvc-Hg)/2 -> Xmax = (10-5)/2 = 2,5mm .

In anderen Quellen liest man dagegen wieder; Xmax entspricht der maximalen Auslenkung mit wenig bis sehr wenigen Verzerrungen.
Ahja, toll....


Xlin
Sollte eigentlich das Gleiche wie Xmax sein, die lineare Auslenkung, ohne Überschreitung des physikalischen Xmax.
Xlin (X Linear) wird oftmals leider nicht angegeben.
Wird Xmax anders als üblich ermittelt, finden wir im Datenblatt auch teils Xlin, was dann dem physikalischen (linearen) Xmax entspricht.


Xmax 10%
Dieser Wert wird "Geklippelt". Dies heißt, es wird die Auslenkung ermittelt, bis ein gewisser Wert THD (Gesamte harmonischen Verzerrung) oder
eine Modulationsverzerrung n-ter Ordnung (z.B. K2 oder K3) erreicht werden.
Dieser Wert entspricht einer maximalen Verzerrung von 10%. Der Hersteller muss allerdings angeben, ob per THD oder z.B. K3 ermittelt wurde.
Diese Prozedur ist mittlerweile im IEC PAS 62458 (AES) drin, der erweiterte Abschnitt zum Xmax wurde von W. Klippel erweitert.
Leider gibt's hier (noch) keine Bezeichnung für, sondern wird einfach als Xmax gekennzeichnet, was vermutlich auch so bleiben wird.

Somit meine Vermutung:
Künftig wird "Xmax" der Klippel-Methode entsprechen und dazu evtl. noch Xlin mit angegeben (oder eben separat im Datenblatt Hg und Hvc)


Xlim
Xdamage, Xlim, Xmech oder Peak2Peak kann verschiedene Limits haben,
z.B. ab wann der Schwingspulenträger an die untere Polplatte anschlägt, ab wann die Spider, der Träger oder die Sicke abreißt, bzw. Schaden nimmt,
oder sonstige mechanische Grenzen erreicht werden, so dass Schäden auftreten. Dieser Wert sollte tunlichst nicht erreicht werden.
Moderne Chassis können sogenannte Kurzschlussringe haben, diese sollen mechanische Schäden verhindern in dem sie ab einer gewissen
Auslenkung einen Kurzschluss verursachen (oder die elektrische Verbindung trennen).


Xvar
Ich finde diesen Wert rein informativer Natur, wirklich anfangen können wir damit nicht so viel,
wir wissen nur, dass ab hier mindestens ein Paramater, wie Antriebskraft, Nachgiebigkeit, Magnetfeld etc. nur noch 50% seines Ausgangswertes aufweist.
Im Regelfall befinden wir uns hier in einem Bereich, den man am besten nicht erreichen sollte, je weiter Xvar und das physikalische Xmax auseinander liegen, je besser,
desto weiter kann man das physikalische Xmax theoretisch überschreiten.



Xmax richtig ablesen
Wir haben hier leider ein Problem: Xmax entspricht nicht Xmax. Warum?
Viele Hersteller schreiben im Kleingedruckten z.b. "Xmax entspricht "(Hvc-Hg)/2 + Hg/4"
Somit wird hier einfach 1/4 Spalttiefe oben drauf gerechnet, das machen recht Viele, wie 18 Sound, B&C usw. Faital rechnet sogar 1/3 oben drauf.
Bei Eminence müssen wir sogar nachfragen, da das Kleingedruckte je Chassis fehlt, idR. ermittelt Eminence das physikalische/lineare oder es wird "geklippelt", sprich 10% THD.
Bei Sica schaut das ganze ähnlich aus, jedoch finden wir idR. im Kleingedruckten wie ermittelt wurde.
18 Sound nennt das ganze im Kleingedruckten dann "Mathematisches Xmax", meiner Meinung nach müsste dies "Xmath" heißen, aber das macht keiner ;)

xmaxcalc01.png
Berechnung der Auslenkung

Lösung: Wir suchen im Datenblatt die beiden Punkte "Wickelhöhe" und "Spalttiefe/Polplattenhöhe" und nutzen die Rechnung (Hvc-Hg)/2



Was passiert oberhalb des physikalischen Xmax
Die Schwingspule tritt zu weit aus dem Magnetfeld raus, hieraus resultiert Verschiedenes.
Viele Parameter verringern sich, vor allem aber der Antrieb (BL) und Nachgiebigkeit CMS, bzw. Steifigkeit KMS.
Die Nulllage im Betrieb verschiebt sich nach vorne oder hinten (was in weniger Xmax resultiert)
Auch verschiebt sich die Symmetrie (Werte bei positiver und negativer Auslenkung differieren)
Die VC wird weniger gut gekühlt, was zu höherer Powercompression führt.
*Hier zu kann ich nur empfehlen mal die VoiceCoil zu abonieren, die machen dort super Klippel-Tests von Einzelchassis.


Zusammenfassend kann man sagen:
- Verzerrungen steigen enorm
- Das Chassis wird schlechter kontrolliert (Sound wird "wabbeliger")
- Die Belastbarkeit nimmt ab, bzw. weniger SPL bei gleicher Leistung
- Risiko für Defekte steigt rapide


So, kann und sollte man nun ein Chassis oberhalb seines Xmax betreiben?
Ja und nein, es kommt immer schwer auf das Chassis an, wie weit darüber man es quält und auch wie lange (Peaks oder Dauerlast).
Bissel über Xmax schadet nicht großartig, zu weit drüber aber schon. Somit finde ich die Klippel-Methode mit +10% Verzerrungen schon echt praxisnah.
Dennoch bin ich der Meinung, dass man diesen Wert nur als Peaks nutzen sollte.
Heißt also: Beim Setzen des Limiters nicht nur die elektrische Belastbarkeit betrachten, sondern auch die Mechanische (und natürlich auch die Thermische).
Lesen wir diverse Testberichte, gibt's natürlich auch Ausnahmen, die ihre 10% schon ab Xlin oder vorher erreichen, eher aber ab 5-10% oberhalb Xlin.
Peaks im Bereich des Xmax +10% sind idR. noch ok, weit drüber kann aber auf Dauer zu Schäden führen, mindestens mal zu schlechtem Sound,
das ein oder andere HighEnd-Chassis mag hier auch mal die +15% verkraften, auf Dauer sehe ich das aber nicht als gesund an.


Um das mal zu verdeutlichen, anhand des Kappalite 3012LF (Werte gerundet)
Hvc: 25,4mm
Hg: 9,2mm

Xmax Linear: 8,1mm
Xmax laut Eminence (10% THD): 9,1mm (+12%)
Xmax laut 18s: 10,39mm (+28%)
Xmax laut Faital: 11,15mm (+37%)

In Klammern dahinter: Auslenkung zu Xlin


Ein bekannter, aber oft leider ignorierter Fehler, ist das sogenannte DC-Displacement,
also die Verschiebung der Nulllage. Im Betrieb passiert das oft und ist auch nicht so mega tragisch, sofern es nicht ausartet,
aber betreibt man seine Chassis oft oberhalb ihres Xmax, bzw. an deren Limit (mechanisch und elektrisch) kann es auch zu einer dauerhaften Verschiebung (also außerhalb vom Betrieb) der Nulllage kommen.
Hier heißt es dann nur noch: Reconen


Das ganze kann das so ausschauen:

dcdisp01.jpg
Links gut / rechts defekt
dcdisp02.jpg
Bild von einem Forenmitglied
xmax-dcdpng01.png
Verschiebung der Nulllage

Eine Verschiebung um "nur" 1mm kann zur Folge haben, dass aus linearen 7,5mm nur noch 6,5mm werden,
werden die 7,5mm bei 1000W erreicht, erreichen wir die jetzigen 6,5mm bereits ab 700W.
Mit 1000W hätten wir, zumindest einseitig, eine Überschreitung um 1mm, was ganzen +13% entspricht.
Von den ganzen entstandenen Unsymmetrien mal ganz abgesehen.



Moderne Chassis sind super progressiv aufgehängt, dies soll u.a. DC-Displacement verhindern oder zumindest minimieren,
das kann im Betrieb gut funktionieren, jedenfalls innerhalb des Xmax, aber auch das beste Chassis erleidet irgendwann den DC-Tod,
was besonders ärgerlich ist, wenn dies erst nach 40-50 Einsätzen passiert "Wieso is das Ding denn jetzt tot, ich betrieb's doch wie immer?!"
Auch soll diese super harte Aufhängung als quasi Notbremse ein Anschlagen der Spule verhindern (was auch gut klappt), führt dafür aber allerdings wieder
dazu, dass die Membran knickt (Knickrand) oder reißt. Vor anderen mechanischen Schäden muss es ebenfalls nicht zwingend schützen.


dcschaden01.jpg
Einseitig abgefackelt - Bild zeigt 2 Spulen aufeinander gestellt.

Defekte durch DC erkennt man an einseitig verkohlten Schwingspulen.
Im Bild sind 2 aufeinander gestellt, leider hatte ich kein anderes parat,
ist auch kein sehr gutes Beispiel, denn idR. schaut das wesentlich schlimmer und besser zu erkennen aus.



hubdefekt.jpg
Abgeknickte Membran nahe Sicke

Hier sehen wir einen Knickrand, direkt unter der Sicke.
Sowas kann z.B. passieren, wenn die Aufhängung (idR. die Sicke) den maximalen Hub begrenzt,
dieser muss auch nicht ringsrum identisch ausfallen, denn es kann durchaus sein, dass die Membran "getaumelt" hat, also in Schräglage war.



Zusammengefasst:
Wir sollten uns immer an das physikalische (lineare) Xmax für jegliche Berechnungen halten, maximal 10-15% drüber für Peaks.
Warum Hersteller das Xmax mit +Hg/4 oder +Hg/3 künstlich aufblähen können wir nur Erahnen,
vermutlich zwecks der Größeren Zahl, weil: mehr ist für Werbung immer besser.
Oder ein selbst ermittelter Durchschnitt, ab wann "noch vertretbare" Verzerrungen entstehen,
aber vielleicht auch mit dem Hintergedanken weitere Chassis oder Reconekits verkaufen zu können ;)
Meine Erfahrung ist, dass je weniger Belastbarkeit ein Chassis hat, desto weiter könne wir über's Xmax dauerhaft hinaus,
aber dies müssen wir je nach Chassis einfach selbst im Dauerbetrieb testen, ein gute Beispiel wäre hier der 12-280W, der rein Subjektiv ne ganze Ecke drüber kann,
aber wie ich finde da auch ne große Ausnahme darstellt (und wenn was is, isser eh super günstig zu ersetzen)


Es bringt uns ja idR. eh wenig ein Chassis oberhalb seines Xmax zu betreiben, das sind am Ende vielleicht nicht mal 2dB mehr Pegel,
die wir sowieso nicht aushören. Klingt es lauter, sind es normalerweise einfach die höheren Verzerrungen, oder es klingt subjektiv "fetter",
da unser Parameter, wie Antrieb und Steifigkeit abnehmen (Kontrolle nimmt ab).

Was ist also wichtig für uns?
Xlin, oder Hg und Hvc. Dies sollte meines Erachtens jeder Hersteller abdrucken!
Xmax nach Klippel bzw. 10% finde ich dagegen auch super, vor allem als zusätzliche Angabe.
Xmax mit "einfach so mal" 1/4 oder 1/3 Spalttiefe draufgerechnet braucht kein Mensch, das ist meiner Meinung nach ne reine Werbeangabe.
Die ganzen "Xlimits" sind mal interessant zu lesen, bringen uns aber eigentlich wenig, ähnlich wie Xvar, wobei das eigentlich noch interessanter ist.

Das Wichtigste ist: Immer schauen wie Xmax ermittelt wurde, steht's nicht auf der Website, dann ggf. im Datenblatt oder ist auf einer Infoseite beim Hersteller versteckt.
(Leider muss man auch manchmal nachfragen, siehe Eminence oder 18 Sound)

______________________________________________________________________
Vielen Dank für's Lesen.


Nun sind die Diskussionen & Fragen hierzu eröffnet.
Habe ich was vergessen? Gerne Update ich den obigen Artikel


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Nugget
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#2

Beitrag 14. Sep 2021 08:56

Danke für den Beitrag!

Könnte jemand vielleicht noch erläutern welche Vorteile eine dickere Polplatte dann mit sich bringt? Denn das habe ich in der Diskussion um Xmax nie wirklich verstanden. Natürlich lässt sich durch eine dickere Polplatte die Magnetfeldstärke erhöhen. Das kann man aber auch durch eine Ausdehnung der Magneten in die Breite erreichen. Nehmen wir mal als Beispiel zwei Woofer mit unterschiedlichen Polplattenstärken, die aber sonst ähnlicher kaum sein könnten, RCF LF18N401 und B&C 18NW100.
Beide haben die gleiche Wicklungstiefe (25mm), nur 5% MMS Abweichung, unter 1% BL Abweichung (als Indikator für die Magnetfeldstärke), allerdings eine Polplattenstärke von 15mm vs 12mm, also eine Abweichung von ganzen 25%. Dadurch ergibt sich bei (Hvc-Hg)/2 einmal 5mm Xmax, einmal 6,5mm. Bei (Hvc-Hg)/2+1/4*Hg wiederum, haben beide den gleichen Xmax von 9mm. Würde der B&C Woofer jetzt einen höheren geklippelten 10% Xmax haben, weil die zweite Angabe +1/4 Hg eh nur Marketing ist? Wieso würde RCF die Polplatte dann dicker bauen, obwohl die erforderliche Magnetfeldstärke doch offensichtlich auch mit einer dünneren Polplatte zu erreichen ist?
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#3

Beitrag 14. Sep 2021 11:56

Nugget hat geschrieben:
14. Sep 2021 08:56
Könnte jemand vielleicht noch erläutern welche Vorteile eine dickere Polplatte dann mit sich bringt? Denn das habe ich in der Diskussion um Xmax nie wirklich verstanden. Natürlich lässt sich durch eine dickere Polplatte die Magnetfeldstärke erhöhen. Das kann man aber auch durch eine Ausdehnung der Magneten in die Breite erreichen. Nehmen wir mal als Beispiel zwei Woofer mit unterschiedlichen Polplattenstärken, die aber sonst ähnlicher kaum sein könnten, RCF LF18N401 und B&C 18NW100.
Beide haben die gleiche Wicklungstiefe (25mm), nur 5% MMS Abweichung, unter 1% BL Abweichung (als Indikator für die Magnetfeldstärke), allerdings eine Polplattenstärke von 15mm vs 12mm, also eine Abweichung von ganzen 25%. Dadurch ergibt sich bei (Hvc-Hg)/2 einmal 5mm Xmax, einmal 6,5mm. Bei (Hvc-Hg)/2+1/4*Hg wiederum, haben beide den gleichen Xmax von 9mm. Würde der B&C Woofer jetzt einen höheren geklippelten 10% Xmax haben, weil die zweite Angabe +1/4 Hg eh nur Marketing ist? Wieso würde RCF die Polplatte dann dicker bauen, obwohl die erforderliche Magnetfeldstärke doch offensichtlich auch mit einer dünneren Polplatte zu erreichen ist?
Na sowas, genau mit dieser Frage habe ich vor knapp 5Jahren mal diesen Thread gestartet. 8-)

Viele Grüße,
Azrael (aka Ezeqiel)

*edit*:
Ich glaube, die Forums-Uhr läuft Amok.....so scheint es auch die Reihenfolge der Posts zu zerwürfeln..... :shock:

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#4

Beitrag 14. Sep 2021 14:10

Ich bin jetzt nicht der Spezi was Magnetfelder und Chassis an sich angeht,
aber ich würde jetzt mal vermuten, dass je dicker die obere Polplatte:
- Desto mehr Windungen bleiben im Magnetfeld
- Desto weniger BL-Verlust hat man je höher die Auslenkung
- Somit auch weniger Unsymmetrien in BL und vermutlich auch weniger Offsets (BL, KMS und DC).
- Wahrscheinlich kann man so auch die Luftspaltbreite etwas vergrößern, was mehr Taumeln zulässt und Chassis für große Hübe, vor allem für unsymmetrische Belastung geeigneter macht (sowas wie Punisher)
- Auch die Kühlung wird besser

Dafür verringert sich allerdings Xlin.
Je nach Chassis und Einsatzzweck, muss der Entwickler/Hersteller eben die perfekte Kombination, je nach Anwendungszweck & Stärken des Chassis abwägen,
wie immer gilt: Alles ist ein Kompromiss ;)
Mit freundlichen Grüßen
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#5

Beitrag 14. Sep 2021 19:29

Die These von SRAM bzgl. tiefer Luftspalte für Chassis mit niedrigem Qes war ja.....:
Für Hochleistungschassis (=hohe Impedanzspitze !) ist also die Annahme, daß man die Hälfte der Luftspalthöhe dazurechnen darf, ganz vernünftig.
.....was er auch zu begründen versucht hat, wobei mir die Begründung als jetzt nicht gerade Berufsphysiker durchaus plausibel vorkam (keine Ahnung, was jetzt ein Berufsphysiker dazu sagen würde......).

Die These lautete also im Grunde, dass bei gleich langer VC ein Niedrig-Qes-Chassis mit dickerer vorderer Polplatte gewissermaßen mehr sauberen Hub kann, als eins mit dünnerer vorderer Polplatte, also kürzerem Luftspalt, obwohl das Chassis mit dem tieferen Luftspalt ja einen geringeren rechnerichen Schwingspulenüberhang hat.

Ob das aber auch mal messtechnisch bestätigt worden ist.....keine Ahnung. Die Möglichkeiten hierzu gäbe es ja.

Viele Grüße,
Azrael


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#6

Beitrag 15. Sep 2021 10:41

Jobsti hat geschrieben:
14. Sep 2021 14:10
aber ich würde jetzt mal vermuten, dass je dicker die obere Polplatte:
- Desto mehr Windungen bleiben im Magnetfeld
- Desto weniger BL-Verlust hat man je höher die Auslenkung
rein denklogisch müsste es ja genau andersherum sein. Bei gleicher Wickelhöhe und unterschiedlicher Polplattenstärke ist bei dem Chassis mit dickerer Platte zuerst ein Teil des Spaltes "unbesetzt". Umgekehrt wird dieser Zustand erst, wenn die Spule die Polplatte soweit verlässt, dass über die Hälfte der Polplatte "unbesetzt" ist, also ab (Hvc-Hg)/2+(>1/2*Hg). Das sind dann aber wirklich zu extreme Betriebszustände, über die ich hier garnicht diskutieren will.

Die These von SRAM im Hifi Forum war ja, dass durch geringere Schwingspulentauchtiefe die Impedanz sinkt, dadurch mehr Strom fließt, der wiederum BL wiederum erhöht (mehr Strom->mehr magnetische Kraft aus der Spule).
Theoretisch leuchtet mir das ein. Praktisch habe ich hier nur Klippel Daten vom 18ds115 rumliegen, da zumindest nimmt BL ziemlich schnurgrade linear ab, und zwar auch ab der Auslenkung ab der das Magnetfeld weiter verlassen wird.
Ich denke ich muss die Tage einfach mal die Klippel Daten vom LF18N401 und dem 18NW100 besorgen und übereinander legen.

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#7

Beitrag 16. Sep 2021 11:23

Nugget hat geschrieben:
15. Sep 2021 10:41
Ich denke ich muss die Tage einfach mal die Klippel Daten vom LF18N401 und dem 18NW100 besorgen und übereinander legen.
Also 25mm/12mm vs. 25mm/15mm. Berichtest du dann über das Ergebnis dieses Vergleichs? :-)

Viele Grüße,
Azrael


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#8

Beitrag 17. Sep 2021 10:29

Klar, mach ich. Glaube aber nicht dass der Unterschied so groß sein wird. Die Klippel Graphen vom 18nw100 habe ich jetzt hier (leider nicht die Tabellen aus dem LSI Report). Bisher hat sich RCF aber leider noch nicht zurückgemeldet.

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#9

Beitrag 25. Sep 2021 12:30

Der LF18X401 ist wohl in der VoiceCoil 6/2013 getestet worden, inklusive Klippel-Daten. Herunterladen kann man sich diese Ausgabe als PDF hier, leider ist das so ein ellenlanger Google-Link.

Den LF18X401 findet man dann auf Seite 24. 8-)

Viele Grüße,
Azrael

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#10

Beitrag 25. Sep 2021 12:44

2013 waren die Angaben noch bissi anders leider.
In der Tabelle wird mittlerweile Xlin angegeben, bei "Factory" das Xmax laut Datenblatt.
Und im Text idR. 10% Distortion und 20%, ist über die Zeit also etwas ausführlicher geworden.
Die 20% entsprechen hier ja schon Xvar mit 50% KMS bei 7,7mm, was nur sehr knapp über den Xlin von 7,5mm liegt,
ohne das recht große KMS Offset wären sicher mehr drin.

Die reine Verzerrungsmessung verwirrt mich allerdings ein bissel, schaut mir bissel viel aus für 104dB,
aber das Ding war auch damals noch Freeair vermessen.
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#11

Beitrag 25. Sep 2021 13:06

Naja, aber es ist immerhin etwas. :prost:

Viele Grüße,
Michael

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