Electronics Design in a Passive Speaker System

Abstract

The goal of this thesis project was to start the research and development of the electronics of a passive loudspeaker system. The project being started from scratch, many of the topics included in speaker design are not limited to electronics engineering. The project was not ordered by any company but is rather a passion project of two audio engineers.

The project started with the research of the proper speaker drivers. Once the drivers were chosen, the enclosure was next in line for the design. Once the drivers and enclosure were brought to physical reality, the frequency responses from different combinations of elements were measured. From these measurements, with the help of a little DSP, the requirements for the passive circuitry of the speaker were discovered.

The circuit was to consist of a simple crossover circuit and a delay. The crossover is simple due to it just being a high pass filter and a low pass filter, but the delay is a much more tricky subject. The delay was chosen to be implemented using an all-pass filter topology. All the circuitry was simulated, but due to the limitations of the software and the nature of sound design in general, most decisions and opinions had to be made by ear.

After the circuit was simulated, numerous PCB:s were designed. These consisted of two versions of the crossover circuit, and one PCB containing one order of the all-pass filter. These orders were to be stacked in order to find the optimal amount of delay.

The end results of this project are a little inconclusive. The delay was found to be too costly and large for the benefit it brought to the sound of the speaker. The crossover worked well, and further development of the speaker continues outside the limits of this thesis project.

Tämän insinöörityön tarkoitus ja päämäärä oli aloittaa kaiuttimen tutkimus- ja kehitystyö. Koska kyseessä on tyhjästä aloitettu projekti, monet käsitellyt aiheet eivät rajoitu pelkästään elektroniikkasuunnitteluun. Insinöörityötä ei ole tilattu minkään firman toimesta, vaan on enemmänkin luonteeltaan kahden äänisuunnittelijan mieltymyksiin perustuva projekti.

Projekti alkoi tarkoitukseen sopivien kaiutinelementtien tutkimuksella. Kun elementit olivat valittu, oli seuraavana vuorossa kotelosuunnittelu. Kun elementit ja kotelo olivat tuotu fyysiseen todellisuuteen, erilaisten elementti- ja koteloyhdistelmien taajuusvasteet mitattiin. Näiden mittaustilausten pohjalta,pienen DSP:n avustuksella, passiivipiirien vaatimukset saatiin selville.

Piiri koostuu yksinkertaisesta jakosuodattimesta ja viiveestä. Jakosuodin on yksinkertainen, sillä se on vain yksi ylipäästö- ja yksi alipäästösuodin. Viive on paljon mutkikkaampi asia suunnitella. Viiveen toteutustavaksi valittiin kaikkipäästösuodin. Kaikki piirit simuloitiin, mutta simulointiohjelman ja äänisuunnittelun luonteen vuoksi suurin osa päätöksistä piti tehdä korvakuuloon perustuen.

Sen jälkeen kun piiri simuloitiin, lukuisia piirilevyjä suunniteltiin. Nämä koostuivat kahdesta eri versiosta jakosuotimesta ja yhdestä piirilevystä ensimmäisen asteen kaikkipäästösuotimelle. Asteita on tarkoitus kasata, ja lopullinen ratkaisu asteiden määrästä tullaan tekemään korvakuuloon perustuen.

Projektin lopputulema oli vähän tulokseton. Viive todettiin liian kalliiksi ja suurikokoiseksi suhteessa sen tuomaan sointihyötyyn. Jakosuodin toimi hyvin, ja projektin kehitystä tullaan jatkamaan tämän insinöörityön ulkopuolella.