Luidspreker krijgt metamateriaal

Door: Liam van Koert

"Metamaterialen zijn alles behalve nieuw", legt Degraeve uit die zijn positie als akoestisch onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge enkele jaren geleden verruilde voor een als senior R&D engineer bij KEF om zijn expertise richting de luidsprekerbouw te brengen. "Het fenomeen bestaat al sinds de jaren ‘60 en vooral de laatste twintig jaar staat het flink in de belangstelling. Het principe van metamaterialen wordt gebruikt voor het elektromagnetisch optimaliseren van superantennes maar ook in optica zijn er bijzondere toepassingen. Denk bijvoorbeeld aan het materialen met een negatieve brekingsindex voor superlenzen of camouflagemantels. Voor geluid werd het tot op heden echter nauwelijks toegepast." Een gemiste kans vond KEF, die wilden onderzoeken of ze het konden inzetten voor de bouw van de ultieme luidspreker. Samen met AMG (Acoustic Metamaterial Group) en metamateriaal goeroe Professor Ping Sheng werd daarom een onderzoeksproject gestart.

Een fijnmazig labyrint uit ABS met 30 kanalen absorbeert 99 procent van al het ongewenste geluid boven 620 Hz. 

Structurele eigenschappen

Anders dan dat de naam doet vermoeden hebben de unieke eigenschappen van een metamateriaal weinig met de chemische samenstelling van dat materiaal te maken. Deze volgen uit een uitgekiende structuur, waarmee eigenschappen kunnen worden gecreëerd die in de natuur niet voor komen (red. bamboe wordt door sommigen ook een metamateriaal genoemd). Zo is de door Degraeve genoemde negatieve brekingsindex van optische elementen het gevolg van structureel aangebrachte dichtheidsverschillen. Is dit vergelijkbaar met lokaal veranderende materiaaleigenschappen zoals het geval bij functionally graded materials? Degraeve: "Niet helemaal. Bij functionally graded materials kan je inderdaad lokaal specifieke eigenschappen toekennen. Je kan bijvoorbeeld extra stijfheid toevoegen waar die nodig is. Je doet dat echter niet op basis van geometrie, maar door het ene materiaal in het andere te doen overvloeien. Metamaterialen daarentegen zijn homogeen. Bovendien zullen luidsprekerbouwers niet snel lokale elasticiteit toevoegen. Ze streven juist naar een maximale stijfheid van behuizing en ophanging. Je wil namelijk elke trilling die het brongeluid kan kleuren vermijden."

De toevoeging van MAT en verandering van de tweeter-ophanging maakte ook een herontwerp van de tweeterholte nodig. 

Perfect klinkt puur

Net als de perfecte journalist geeft de perfecte luidspreker een bron zo waarheidsgetrouw weer. Een ultiem concert klinkt alsof je er live bij bent en je jezelf midden tussen de muzikanten begeeft. Maar net als bij het onbevooroordeeld optekenen van vakinformatie, is dat in de praktijk gemakkelijker gezegd dan gedaan. Er van uitgaande dat de bron een in potentie onversneden geluid kan produceren, zijn er nogal wat luidsprekeronderdelen die van invloed zijn op wat er uiteindelijk bij de luisteraar terecht komt. In het geval van de tweeweg KEF LS50 Meta – de eerste luidspreker ter wereld die met een metamateriaal is uitgerust om ongewenste bijgeluiden te absorberen – geldt dat in elk geval voor twee driver arrays en hun ophanging, voor de behuizing en voor de scheidingsfilters. Voor de draadloze variant speelt bovendien de DSP (digital signal processing unit) met zijn algoritmes een rol. Van al deze elementen is de tweeter het meest in het gehoor springende onderdeel dat de natuurgetrouwheid van het brongeluid kan maken of breken. De details vindt men in de hoge registers en zonder tweeter klinkt zelfs de mooiste muziek dof en grauw.

Nu had KEF voor het hoog al haar UniQ-driver met ‘tangerine waveguide’ in haar gereedschapskoffer. De gepatenteerde tweeter met golfgeleiders klinken niet alleen helder, maar zorgen volgens de fabrikant bovendien voor een mooi 3D-beeld. Dat laatste kan uw enigszins bevooroordeelde auteur bevestigen: hij heeft zelf al de nodige jaartjes een paar KEF XQ 40 ‘s staan.

De basreflexpoort heeft in dit geval een offset gekregen. 

Het achterkantprobleem

Toch wist KEF dat er veel meer te halen viel. Een luidsprekermotor produceert aan de achterzijde namelijk net zo veel geluid als aan de voorzijde. Nu is dat voor grotere golflengten die groter zijn dan de behuizing niet direct een probleem. Voor het laag wordt zelfs gebruik gemaakt van dit fenomeen en wordt in een basreflexpoort voorzien voor een steviger basgeluid. Voor de hogere frequenties echter, kunnen de in de behuizing ‘gevangen’ geluidsgolven voor ongewenste bijgeluiden zorgen. Dit deels door resonantie van behuizingsdelen, maar voornamelijk door de invloed van reflectie op de frequentierespons van de driver array zelf.

In de ophanging is ook een elastische laag voor demping aangebracht. KEF noemt dit ‘Constrained Layer Damping’. 

Net als metamaterialen, is ook het ‘achterkantprobleem’ van tweeters al jaren bekend. De eerste patenten om dit aan te pakken stammen uit 1940 en zijn gebaseerd op een exponentiële hoorn die voor een heel spectrum kwart golflengtes ‘binnenhoudt’ en uitdooft door een faseverschuiving van die golf. Deze werden bovendien voorzien van een zacht poreus materiaal voor absorptie. Hoewel de methode goede resultaten geeft is er één groot probleem. Letterlijk. Afhankelijk van de af te dekken bandbreedte is de hoorn al snel zo’n 80 centimeter lang wat voor compacte monitorluidsprekers als de LS50 geen optie is. KEF gebruikte daarom tot voor kort een zogenoemde ‘vented tweeter’, die de reflecties aan de achterzijde tot een respectabele 60 procent elimineert. Daarnaast is een deel van het ‘achterkantprobleem’ ook regeltechnisch te ondervangen. Bijvoorbeeld door middels scheidingsfilters het ‘tweeter-aanbod’ te beperken. Hoewel door vele luidsprekerbouwers toegepast is de oplossing niet echt elegant. Trek je de denkwijze door, dan leidt het voorkomen van bijgeluid uiteindelijk tot het weglaten van de tweeter zelf.

Delicaat dubbel doolhof

Er is echter ook een mechanisch alternatief dat met de vorderingen in het metamaterialenvakgebied binnen bereik kwam. Want wat zou er gebeuren als je elke golflengte een eigen ¼ golflengte kanaal geeft? Degraeve: "Samen met de Acoutsic Metamaterial Group hebben we onderzocht of het naast theoretisch ook praktisch mogelijk was een compacte structuur te ontwikkelen die het hele tweeterspectrum absorbeert. Na tal van simulaties waarbij we duizenden kanalen in Matlab hebben doorgerekend, kwamen we tot een fijnmazig doolhof van 30 voor een kleine bandbreedte ‘getunede’ absorptiekanalen. Vervolgens hebben we gekeken hoe we de kanalen in een zo compact mogelijke

geometrie konden gieten. Hoewel een longitudinaal ontwerp qua prestaties niet onderdeed, bleek een circulaire configuratie van twee lagen die achter de tweetermotor geplaatst kon worden het meest compact qua bouwvorm."

Voor wat betreft de mechanische eigenschappen van het materiaal was het volgens Degraeve allemaal niet zo spannend. Voor haar Meta Absorbtion Technologie (MAT) gebruikt KEF ‘gewoon’ ABS. Het is voldoende sterkte, is licht in gewicht en je kan er makkelijk mee printen (prototyping) en spuitgieten. Dat laatste moet dan wel precies gebeuren. Het ‘tunen’ luistert nauw en de wanden van de kanalen zijn slechts 2 mm dik. Ook is vlakheid belangrijk zodat vervorming tijdens het koelen moet worden voorkomen.

Een exploded view van het totale tweewegsysteem. 

Andere innovaties

MAT is niet de enige innovatie die in de KEF LS50 Meta is ondergebracht. Hoewel het bijvoorbeeld een tweeweg-luidspreker is, lijkt het van de buitenkant meer op een eenweg-systeem. De midden/laag-driverarray en de tweeter zijn namelijk concentrisch geplaatst, wat de nodige uitdagingen voor het motorontwerp en de ophanging betekende. Daarnaast zijn er ook diverse digitale hoogstandjes toegevoegd. Zo is er ook een actieve draadloze variant, de KEF LS50 Meta Wireless II, die een vertaling zonder verliezen naar het digitale domein belooft. Of die belofte wordt ingelost? De audiobladen zeggen van wel. Horen is geloven. Wie dat zelf wil ervaren moet als de winkels weer open mogen dus maar snel een luisterkamer opzoeken.

Bron: Constructeur 1 – 2021