Klir bei passiven Bauteilen

[Timo 0]

Erst einmal ein Gruß an alle Bastler und Tester die sich nicht nur auf ihr so allmächtiges Wissen verlassen.

 

Nach dem unter dem Thread mit den Telefonbüchern jemand meinte mich auf selbige festzunageln :-( (Fragestellung war längst auf Mikrophonie und Klir von Passivenbauteilen gestellt), hier nun meine Frage.

 

Welche Erfahrungen habt ihr in Bezug auf Klir und Microphonie bei Verstärkern und Hochpegelgeräten?

 

Tschö, Timo

 

[Bernhard 0]

Hallo Timo,

 

die Mikrofonieempfindlichkeit von passiven Bauteilen kann man überschlagsmäßig abschätzen; am ehesten mkirofonieempfindlich erscheinen Kondensatoren, weil sie im wesentlichen aus relativ weichem Kunststoff bestehen, während Widerstände meistens aus sehr viel härterem Keramik bestehen. Digitalbausteine sind prinzipiell unempfindlicher; empfindlicher könnten Quarzbausteine sein, aber die besitzen ein eigenes Gehäuse, das eventuelle Schallwellen dämpft.

 

Wenn nun ein Kondensator mit einer bestimmten Spannung geladen ist und einer Schallwelle ausgesetzt wird, wird er durch den Druck der Schallwelle komprimiert und ändert dadurch seine Kapazität und bei konstanter Ladung seine Spannung; die Frage ist nun, wie groß ist die relative Spannungsänderung und ist diese Spannungsänderung eine signifikante Größe in Relation zum Fremdspannungsabstand z.B. eines Verstärkers oder CD-Players?

 

Der Schalldruck sei 100dB, das entspricht ungefähr 1Pa; die Kompressibilität von Kunststoff habe ich gerade nicht zur Hand, deshalb nehme ich einen geschätzten Wert von 10^-9 1/Pa. Bei 1Pa Schalldruck ist die relative Längenänderung des Kondensators die dritte Wurzel aus 1+10^-9, das ist ungefähr 1+3*10-11; also beträgt die relative Kapazitätsänderung bzw. Spannungsänderung am Kondensator grob gerechnet 1+3*10-11; das ergibt einen Störabstand von ungefähr 210dB; also bei Geräten, die dem Schallfeld einer üblichen Home-Hifi-Anlage ausgesetzt sind, sind keine Mikrofonie-Effekte zu erwarten, weil der Mikrofonieeffekt ungefähr 30000 mal kleiner ist als das Verstärkerrauschen; kritisch könnte es höchstens für Elektronik werden, die z.B IM Gehäuse eines schalldruckstarken Subwoofers untergebracht ist, weil dort Schalldrücke von mehr als 10000Pa erreicht werden können.

 

Grüße

 

Bernhard

 

[Murphy 0]

Hi,

im Sub "mehr als 10000Pa"?

Pa = akustische Watt?

Sind das, im Vergleich zu einer normalen Box, wie in Deinem Beispiel bei 100dB Schalldruck, wirklich soviel mehr?

Wenn man jetzt mal davon ausgeht, dass auch der Sub bei 100dB gemessen wird, meine ich?

 

Joohoo

 

 

 

 

[Bernhard 0]

Hallo Murphy,

 

Pa sind hier Pascal, Newton pro Quadratmeter, also eine Größe für den Druck; der Druck läßt sich ganz einfach bestimmen: nehmen wir mal einen Subwoofer, natürlich einen URPS ;-) mit einem Monacor Raptor 10 Chassis mit 0.035m^2 Membranfläche, einer Spitzenbelastbarkeit von 1500W, einem Kraftfaktor von 15Newton/Ampere und einem Gleichstromwiderstand von 3Ohm, dann kann man im Inneren des Gehäuses einen Spitzen-Druck von effektiv 9583 Pascal erzeugen, der Scheitelwert liegt sogar bei 13512 Pa. Welcher Schalldruck dabei nach außen abgestrahlt wird hängt von der Frequenz und dem Innenvolumen der Box ab.

 

10000 Pa entsprechen in dB einem Schalldruck von 174dB, das ist schon ganz ordentlich; ich hatte mal bei einem URPS den Klirr im Inneren des Gehäuses gemessen und mußte feststellen, daß die Elektret-Mikrofonkapsel schon bei mäßigen Lautstärken mehrere Volt Spannung lieferte (ohne Mikrofonverstärker wohlgemerkt); allerdings der Druck in einem Autoreifen beträgt ca 200000 Pa, was die Sache wieder ein wenig relativiert.

 

Grüße

 

Bernhard

 

[Murphy 0]

Hi Bernhard,

nächste Fragen:

ist Druck nicht ein statischer Wert?

Dein Beispiel mit dem Autoreifen aufgreifend, sind demnach 2bar gleichzusetzen mit 200000Pa?

10000Pa entsprächen also einem Druck von 0,1bar?

Hmmm, solch ein Druckunterschied kann Auswirkungen auf ein, aus meiner Sicht, so festes Teil wie einen Kondensator ausüben? Oder sind es eher die schnellen Wechsel zwischen Max.- und Min.-Druck? Und in welcher Größenordnung hat man sich die Wert-Schwankungen durch den Druckänderungseinfluss vorzustellen?

 

Joohoo

 

PS mein URPS hat solche Probleme natürlich nicht, dank ausgelagerter E-Technik.

 

 

[Bernhard 0]

Hallo Murphy,

 

>>> ist Druck nicht ein statischer Wert? <<<

 

Er kann statisch sein; z.B. der Luftdruck, aber sich auch ständig ändern, wie z.B. der Schalldruck, den ein Lautsprecher erzeugt.

 

>>> Dein Beispiel mit dem Autoreifen aufgreifend, sind demnach 2bar gleichzusetzen mit 200000Pa? <<<

 

Genau.

 

>>> Oder sind es eher die schnellen Wechsel zwischen Max.- und Min.-Druck? <<<

 

Ja.

 

>>> Und in welcher Größenordnung hat man sich die Wert-Schwankungen durch den Druckänderungseinfluss vorzustellen? <<<

 

Das habe ich versucht in meinem ersten Posting in diesem Thread abzuschätzen; dabei bin ich von einem Wechseldruck von 1 Newton als Bezugspunkt ausgegangen; dieser entspricht in db einem Schalldruck von 94dB; die relative Wertänderungen habe ich für diesen Schalldruck mit -210dB abgeschätzt; wenn man die Elektronik bei 174dB Schalldruck betreibt, ist die relative Wertänderung des Kondensators 210dB - (174dB -94dB) = 130dB (alles nur sehr grobe Schätzungen); das entspricht dem Verhältnis 1:3162277; das ist schon eine Wert, wo es langsam interessant wird; es kommt natürlich darauf an, an welcher Stelle der Kondensator in der Schaltung eingebaut ist; wenn sich beispielsweise die Kapazität eines Siebkondensators im Netzteil im "Takt" des äußeren Schalldrucks ein wenig ändert, so macht dies normalerweise überhaupt nichts; wenn aber ein Ein/Auskoppel-Kondensator im "Signalweg" betroffen ist, dann könnte man in einer Schaltung mit sehr großem Rauschabstand, den Schall dem der Kondensator ausgesetzt ist, spannungsmäßig nachweisen und bei entsprechender Verstärkung auch hören.

 

Aber das ist ein Szenario, das weitab jenseits aller üblichen Gepflogenheiten für den Betrieb von Hifi-Geräten liegt; kein Mensch wird einen extrem rauscharmen Verstärker ausgerechnet in ein Subwoofer-Gehäuse einbauen wollen.

 

Grüße

 

Bernhard

 

[Timo 0]

Hallöchen bernhard,

erst einmal danke für deine sehr aufschlussreiche Antwort. Unter dem Aspekt der des Flächendruckverhaltens hatte ich es noch nicht betrachtet. Ich ging bei meiner überlegung viel mehr von der theoretischen Schallleistung aus die auf das Bauteil wirkt. Lässt sich sicherlich annähren da bei dieser Rechnung auch die Freuenz eine Rolle spielt. leider fehlten auch hier mir immer Richtwerte zur Berechnung.

Mich wundert allerdings daß du einen Kondensator als wohl anfälligstes Bauteil siehst. Gerade bei Spulen, vor allem pulverkern oder feromagnetischen Spulenkernen, finde ich den Einfluss größer.

Oder liegt hier bei ein Denkfehler vor?

 

Gruß, Timo

 

[Bernhard 0]

Hallo Timo,

 

>>> Mich wundert allerdings daß du einen Kondensator als wohl anfälligstes Bauteil siehst. Gerade bei Spulen, vor allem pulverkern oder feromagnetischen Spulenkernen, finde ich den Einfluss größer. <<<

 

Die Spulen habe ich außen vor gelassen, weil die in einem Verstärker oder einem anderen "Hochpegelgerät" (CD-Player, Dat-Recorder) normalerweise nicht eingebaut sind; jedenfalls nicht im Signalweg; aber danach hattest Du ja gefragt.

 

Spulen gibt es in sehr vielen unterschiedlichen Ausführungsformen (mit Kern ohne Kern, vergossen, unvergossen usw.) und sicherlich gibt es Exemplare, die bei weitem stärker mikrofonieempfindich sind als ein üblicher Kondensator; aber ich schätze, hier müßte man die Mikrophonieempfindlichkeit durch praktische Versuche ermitteln; anders kommt man da wohl nicht weiter.

 

>>>Ich ging bei meiner überlegung viel mehr von der theoretischen Schallleistung aus die auf das Bauteil wirkt. <<<

 

Die Schalleistung allein kann einem Bauteil zunächst nichts anhaben, es muß irgendein Effekt existieren, damit eine mechanische Größe (Längenänderung, Kraft, Bewegung, Druck usw.) die Änderung einer elektrischen Größe hervorruft (Spannung, Strom, Widerstand; Kapazität usw.); und auf Grundlage dieses Zusammenhangs kann man erst eine ungefähre Vorhersage treffen, wie stark sich eine elektrische Größe bei Änderungen der mechanischen Größe ändern wird.

 

Grüße

 

Bernhard

 

[maha 0]

Hallo!

 

Eure Diskussion hat mich zu einem

 

2 Minuten-Versuch angeregt.

 

Elko 47 µF, tatsächlich 54µF, mit der Kombizange behandelt. Recht fest...

 

Resultat: Mein Multimeter zeigte bis zu 84 µF an. Meist um die 60..., je nach aufgebrachter Quetschkraft

 

Der Elko ist nach der Brutalbehandlung jetzt relativ flach , weist aber nach Entlastung weiterhin um die 54 µF auf.

 

Gruß, Martin

 

 

 

[Murphy 0]

Hi Bernhard,

 

Die Schalleistung allein kann einem Bauteil zunächst nichts anhaben, es muß irgendein Effekt existieren, damit eine mechanische Größe (Längenänderung, Kraft, Bewegung, Druck usw.) die Änderung einer elektrischen Größe hervorruft (Spannung, Strom, Widerstand; Kapazität usw.); und auf Grundlage dieses Zusammenhangs kann man erst eine ungefähre Vorhersage treffen, wie stark sich eine elektrische Größe bei Änderungen der mechanischen Größe ändern wird.

 

war da nicht irgendwas mit "Änderung der Atomgitterstruktur"? Physik in der Schule ist sooooo lange her...

 

Joohoo

 

 

 

[Murphy 0]

Hey Martin,

 

hmm, Änderung um ca. 10%? Richtige Aussagekraft dürfte Dein Test aber nicht haben, da Du (vermutungsweise) den Wechsel Druck-Entlastung nicht mit einer Frequenz von mindestens 20Hz durchgeführt hast? :-)

Oder doch?

Außerdem dürfte der Krafteintrag mittels der Kombizange um ein vielfaches höher gewesen sein, als man dieses durch Luftdruckänderung bewirken kann...

 

Joohoo

 

[maha 0]

Hallo Murphy!

 

Der Krafteintrag war relativ hoch!

Und langsam - ich hätte ja schneller "drücken" können, nur mein Multimeter ist zu langsam

 

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Aber immerhin können im Inneren eines SUB doch beträchtliche Drücke entstehen. Meine Simu kommt im Extremfall auf 10,5 N/cm2 (Membrane innen) bzw. 9,5 N/cm (Membrane ausgefahren).

 

Differenz 1 N/cm2 oder 10000 Pa. Man sieht, auch beim Druck führen mehrere Wege nach Rom!

 

Gruß, Martin

 

 

 

[Witte 0]

Hi Timo,

 

ich glaube, die Luftdruck-Schwingungsanregungen am Bauteil selbst - im Geräteinneren - sind eher sekundär (außer bei Boxen), wie ja auch das Rechenbeispiel hier zeigte. Eher spielen wohl eingeleitete Vibrationen eine Rolle: große, flächige, leichte Bauteile (Gehäuse, Platinen, Boden) werden angeregt und leiten die Schwingungen "wirr und hart angekoppelt" über mechanische Kontaktstellen und elektrische Anschlüsse ins Bauteil. Gut zu sehen bei speziell Quarzen, SMD-Bauteilen usw. Wer sie einmal mit Silikon ruhiggestellt hat, weiß über den erlebten Klanggewinn, was ich meine.

Und man sollte den "Piezo-Effekt" nicht unterschätzen: Mikroverformungen bewirken durch Polarisationsladungsverschiebungen deutliche Einflüsse - so funktionieren viele Meßsensoren. Jedes Bauteil ist ungewollt ein Sensor, gerade Halbleiter. Wer mal ein Oszi an den NF-Ausgang hängt und z.B. ein empfindliches Rückkoppelbauteil mit einem Metallgegenstand leicht anschlägt, wird Signale sehen können. Es werde ein Mikrofon, und es ward!

Gerde leichtgewichtige SMD-Geräte sind nach meiner Erfahrung ultra-mikrofonieempfindlich. Ich hatte mal einen LINN-VV, ohne Deckelplatte und guter Entkopplung klang er wie ein nervöses Hemd, hard und schroff - mit allem Ruhigstellendem wie eben Linn klingen kann.

 

Gruß

 

Klaus

 

[maha 0]

.... HighestEnd in Ehren.

 

Ich hab´ mir sogar damals, als Du dein Gleichstromfilter vorgestellt hast, eine Schaltung mit "Extrembelastung" zusammengebastelt.

 

Mit der Erkenntnis: Der verwendete Trafo hat wirklich unter der unsymmetrischen Eingangsspannung zu ´brummen´ begonnen! Sogar sehr laut. Sekundärseitig war aber, wider Erwarten, die Welt wieder in Ordnung. Keine unsymmetrischen Halbspannungen, kein gesteigerter ´Brumm´ in den Versorgungsleitungen.

 

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Ich kann den Ausführungen Deines obigen Postings sogar zustimmen.

Nur: Diese Effekte liegen IMHO weit unter der "Hörschwelle". Schaden kann eine Bekämpfung derselben natürlich nicht. Ob sie auch was bringt????? Na ja....

 

Echte Fehlerquellen, also solche die einen 20%igen Fehler verursachen, lauern IMHO ganz wo anders.

 

Gruß, Martin

 

 

 

 

 

[Bernhard 0]

Hallo Klaus,

 

>>> Wer mal ein Oszi an den NF-Ausgang hängt und z.B. ein empfindliches Rückkoppelbauteil mit einem Metallgegenstand leicht anschlägt, wird Signale sehen können. <<<

 

Warum glaubst Du, daß bei diesem Effekt ausschließlich Mikrofonie ein Rolle spielt? Drück doch mal mit Deinem Finger auf ein "empfindliches" Bauteil Deines Verstärkers, aber so, daß KEIN Kontakt mit irgendwelchen elektrisch leitenden Teilen zustande kommt. --- Was hörst Du? ---- Aha, es brummt nun aus dem Lautsprecher. Was sagt uns das? Sicher ein Fall von Mikrofonie: die Fingerkuppe pulsiert im Rhythmus des Herzschlags und überträgt diese Schwingungen aufs Bauteil; der 100Hz Ton aus dem Lautsprecher zeigt uns klar und deutlich, daß der Puls bei 6000 pro Minute liegt ---- oh, ein medizinisches Wunder. }>

 

>>> Gerde leichtgewichtige SMD-Geräte sind nach meiner Erfahrung ultra-mikrofonieempfindlich. Ich hatte mal einen LINN-VV, ohne Deckelplatte und guter Entkopplung klang er wie ein nervöses Hemd, hard und schroff - mit allem Ruhigstellendem wie eben Linn klingen kann. <<<

 

So etwas habe ich in den Lachblättern auch schon öfters gelesen, nur irgendwie fehlt mir immer der Glaube bei solchen Aussagen. :-) Natürlich, sind Gehäusedeckel und Entkopplungsmaßnahmen nur selten verkehrt.

 

Grüße

 

Bernhard

 

[Timo 0]

Hallöchen Bernhard,

 

ich kann mir dann aber eines noch nicht erklären.

Messungen aus diversen Selbstbauzeitschriften weißen doch sehr klar freuquenzabhängige Kliranteile auf.

Wie können diese enstehen wenn nicht durch baubedingte Einflüße?

Mir stellt sich dann doch die Frage ob deine Werte den Druck betreffend wirklich so niedrig liegen oder ob man nicht höher gehen muß.

Kannst du mir das erklären oder liege ich mit meiner Vernutung so daneben?

 

Gruß, Timo

 

[Bernhard 0]

Hallo Timo,

 

Du schreibst leider nicht, welche Messungen in Selbstbauzeitschriften Du speziell meinst; deshalb kann ich Dir nur allgemein antworten:

 

Die Klirranteile bei Hifi-Komponenten sind fast immer frequenzabhängig und haben die unterschiedlichsten Ursachen, aber nur selten sind es Einflüsse, die durch Einbau- oder Umweltbedingungen, wie Schalleinwirkung, Vibrationen und dergleichen begründet sind:

 

- Bei einem Verstärker ist es normalerweise das Schaltungsdesign, das letztlich für den Klirrfaktor zuständig ist; die sogenannte Leerlaufverstärkung (Verstärkung bei offenem Regelkreis) eines Verstärkers ist frequenzabhängig und nimmt konstruktionsbedingt zu höheren Frequenzen hin ab; damit sinkt der Gegenkopplungsgrad zu höheren Frequenzen und der Klirrfaktor nimmt entsprechend zu.

 

Bei Lautsprechern gibt es für die Frequenzabhängigkeit des Klirrfaktors sehr verschiedene Ursachen, die sich überlagern:

 

- Die Membranauslenkung ist bei gleichem Schalldruck bei niedrigeren Frequenzen größer als bei hohen, dadurch machen sich Nichtlinearitäten des magnetischen Antriebs bei tiefen Frequenzen stärker bemerkbar als bei hohen, d.h. der Klirrfaktor steigt bei niedrigen Frequenzen. Bei Elektrostaten ist es ganz ähnlich.

 

- Ein unregelmäßiger Frequenzgang, bzw. Partialschwingungen sind oft die Ursache, daß der Klirrfaktor im Übertragungsbereich eines bestimmten Chassis einer Mehrwegbox ungleichmäßig verläuft; es kann zum Beispiel regelmäßig beobachtet werden, daß bei einem Lautsprecherchassis ein besonders hoher Klirrfaktor bei einer Frequenz dann vorliegt, wenn bei der doppelten oder dreifachen Frequenz starke Frequenzgangüberhöhungen aufgrund von Membranresonanzen auftreten.

 

Natürlich kann man sehr ungünstige Szenarien konstruieren, in denen Mikrofonie eine größere Rolle spielen kann und evtl. nicht mehr zu vernachlässigen ist: man nehme z.B. ein Rack, das sehr leicht in Schwingungen versetzt werden kann und ausgeprägte Resonanzen aufweist; irgendwo im Rack steht ein CD-Player mit einem Gehäuse mit der Stabilität einer kostenoptimierten Keksdose; direkt auf dem CD-Player steht der Verstärker, so daß sichergestellt ist, daß der CD-Player jede Verwindung des Racks mitmacht; im CD-Player befindet sich eine einzige SMD bestückte Platine minderer Qualität von der Größe eines Computer Mainboards, die an mehreren Punkten mit dem CDP Gehäuse knallhart verbunden ist; in diesem Fall könnten tatsächlich, wie von Klaus Witte angedeutet, Biegemomente auf die Platine übertragen werden und wg. der SMD-Technik direkt an bestimmte Bauteile weitergeleitet werden und dort einen viel größeren Effekt verursachen als es mittels Schall/Druck-Einwirkung jemals möglich wäre. Wenn der Rest der Anlage dann ungleich hochwertiger ist als der CD-Player selbst, dann könnte man den Mikrofonie-Effekt eventuell messen, und u.U. sogar hören. Aber das ist ein sehr konstruiertes Szenario wie es in der Realität wohl kaum vorkommt.

 

Grüße

 

Bernhard