design report - tech speakers | michigan tech fa 4740 … ·...

40
Age of the Photons Audio Aeternus Lux 2.2 Modular Speaker System Paul Kirby A complete listing of the design goals, realizations, and specifications of the Aeternus Lux Speaker System Fall 13

Upload: ngoliem

Post on 10-Apr-2018

221 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

     

A g e   o f   t h e   P h o t o n s   A u d i o  

Aeternus  Lux  2.2  Modular                        Speaker  System  Paul  Kirby  A  complete  listing  of  the  design  goals,  realizations,  and  specifications  of  the  Aeternus  Lux  Speaker  System  

Fall  13  

08  Fall  

  2  

Table  of  Contents  

FUNCTIONAL  DESCRIPTION   4  

DESIGN  GOALS   5  VISUAL  AESTHETICS   5  SIZE  &  SHAPE   6  SPL  OUTPUT   7  BANDWIDTH   7  DRIVER  SIZE  AND  SPACING   8  DIRECTIVITY   8  

TECHNICAL  DETAILS   10  BAFFLE  STEP   10  CONSTRUCTION  MATERIALS   10  DIFFRACTION  AND  SPEAKER  SHAPE   11  

DRIVER  ANALYSIS  &  SELECTION   12  TWEETER  ANALYSIS   12  TWEETER  #1  DETAIL   13  TWEETER  #2  DETAIL   13  TWEETER #3 DETAIL   14  TWEETER #4 DETAIL   14  TWEETER #5 DETAIL   15  WOOFER  ANALYSIS   16  WOOFER  #1  DETAIL   17  WOOFER #2 DETAIL   18  WOOFER #3 DETAIL   19  WOOFER #4 DETAIL   20  WOOFER #5 DETAIL   21  SUBWOOFER  ANALYSIS   22  SUBWOOFER  #1  DETAIL   22  SUBWOOFER  #2  DETAIL   23  SUBWOOFER  #3  DETAIL   24  SUBWOOFER  #4  DETAIL   25  SUBWOOFER  #5  DETAIL   26  DRIVER  SELECTION   27  TWEETER  SELECTION   27  WOOFER  SELECTION   27  SUBWOOFER  SELECTION   27  

CROSSOVER  DESIGN   28  INITIAL  DESIGN   28  

TESTING  &  TUNING   29  INITIAL  PERFORMANCE  AND  TUNING   29  ENCLOSURE  OPTIMIZATION   31  

  3  

FINAL  SYSTEM  DOCUMENTATION   32  FINAL  TESTING  RESULTS   32  FREQUENCY  RESPONSE   32  INTEGRATED  RESPONSE   32  HARMONIC  DISTORTION   32  MINIMUM  PHASE  RESPONSE   33  HORIZONTAL  OFF-­‐AXIS  RESPONSE   33  VERTICAL  OFF-­‐AXIS  RESPONSE   33  DIFFERENCE  PLOT   34  STEP  RESPONSE   34  INTEGRATED  STEP  RESPONSE   34  IMPULSE  RESPONSE   35  WATERFALL  PLOT   35  SUB  RESPONSE   35  CROSS-­‐OVER  SCHEMATIC   36  AS-­‐BUILT  DRAFTING   37  

BIBLIOGRAPHY   40        

  4  

Functional  Description      

The  first  step  of  any  good  loudspeaker  design  process  is  to  choose  at  what  

point  in  the  consumer  chain  you  want  your  speakers  to  exist.1  I  decided  to  make  a  

pseudo-­‐step  in  the  process,  somewhat  deriving  from  the  5  steps  that  Newell  &  

Holland  talked  about  in  their  book.  The  Aeternus  Lux  design  will  be  somewhere  in-­‐

between  the  mixing  and  consumer  listening  stage.  My  speakers  will  function  as  

reference  monitors  that  I  can  sound  design  with,  but  also  need  to  have  very  low  

fatigue  and  ability  to  be  enjoyed  as  simply  listening  loudspeakers.  When  sound  

designing,  I  can  be  listening  to  something  for  hours  on  end,  placing  sounds  for  linear  

media  and  trying  numerous  things  out.  If  the  monitors  are  too  fatiguing  at  mid  to  

high  SPL,  it  is  a  very  unpleasant  process.  The  system  will  be  forward  listening,2  or  

listening  toward  the  consumer  end  of  the  product  and  will  have  low  fatigue  at  a  

relatively  high  SPL.    

For  size,  I  want  these  speakers  to  be  as  universal  as  possible  so  that  I  won’t  

end  up  in  a  living  situation  where  they  are  not  reasonable  to  use.  However,  I  don’t  

want  to  compromise  the  low-­‐end  response  by  making  them  small.  They  need  to  be  

configurable  in  as  many  rooms  as  possible.  Because  the  speakers  are  going  to  be  

used  for  pure  enjoyment  as  well,  I  would  like  to  have  a  good  off  axis  response  so  

they  may  be  enjoyed  from  many  different  positions.    

This  system  is  the  initial  part  of  a  future  5.1  or  7.2  surround  sound  system.  

However,  due  to  resources  available,  this  initial  design  is  only  for  the  front  left  and  

front  right  speakers.  The  rest  of  the  design  will  be  available  as  soon  as  the  resources  

are.    

 

 

                                                                                                               1  (Newell  and  Holland  2007)  2  (Moulton  2000)  

  5  

Design  Goals  

Visual  Aesthetics    My  primary  visual  aesthetics  goal  for  my  speaker  design  is  to  make  them  look  

classy  and  versatile  with  a  modern  or  contemporary  décor.  I  was  imagining  a  

beautiful  natural  wood  finish  face  with  piano  black  sides.  Different  woods  I  was  

considering  include  a  cherry  or  possibly  even  a  birds-­‐eye  maple.  Some  examples:    

 

 

   

Figure  1  (www.china-­‐hifi-­‐audio.com)  

Figure  2  (www.soundgallery.co.uk)  

Figure  3  (  www.designbuzz.com)  

  6  

Size  &  Shape    For  the  shape  and  cabinet  design  of  my  speakers  I  took  inspiration  from  the  

Penaudio  Chara-­‐Charisma  line  speakers.  (See  figure  4)  In  most  situations  I  want  to  

have  rectangular  floor  standing  speakers  with  an  amazing  low-­‐end  response.  

However,  as  said  in  the  functional  description,  they  need  to  be  as  universal  as  

possible.  That’s  why  a  modular  system  works  the  best.  There  will  be  a  smaller  

cabinet  that  houses  my  2  way  monitors  that  will  then  rest  on  top  of  a  floor  standing,  

side-­‐firing  subwoofer  with  the  exact  same  width  and  depth.  They  will  then  act  like  a  

single  floor  standing,  full  range  speaker  but  be  able  to  be  used  separately  as  just  

desk  monitors  with  satellite  subwoofers  that  can  be  moved  based  on  the  room  I’m  

in.    

   

Figure  4  

(Penaudio’s  Chara-­‐Charisma  modular  3-­‐way  system)  

  7  

SPL  Output  As  far  as  maximum  SPL  output  is  concerned,  the  only  stipulation  I  have  is  to  

be  able  to  mix  at  standardized  film  sound  levels.  The  average  SPL  for  film  is  85dB  

with  a  20db  crest  factor,  and  an  extra  10dB  of  headroom  for  the  LFE’s  (Low  

Frequency  Effects  channel).3  With  that  condition,  I  would  like  the  maximum  SPL  to  

be  about  120dB  before  mechanical  breakdown.  I  would  like  to  be  able  to  reach  

105dB  without  much  distortion.  

Bandwidth  

   

In  order  to  determine  what  low-­‐end  extension  I  want,  I  decided  to  listen  to  5  

different  songs  that  I  know  very  well  on  a  full  range  system  as  I  slowly  increased  a  

high-­‐pass  filter  on  the  songs.  I  noted  the  frequencies  at  which  I  noticed  the  cut-­‐off,  

didn’t  like  the  cut-­‐off,  and  absolutely  hated  the  cut-­‐off.  I  want  to  find  a  general  

average  of  the  point  at  which  I  didn’t  like  the  cut-­‐off  and  make  that  my  3dB  point  for  

my  low-­‐end  bandwidth.    

The  cut  off  frequency  goal  I  decided  upon  is  65Hz  for  the  2way  cabinet,  just  

about  in-­‐between  where  I  noticed  the  cut  of  and  didn’t  like  it.  The  cut  off  frequency  

goal  for  the  side  firing  subwoofers  is  30  Hz,  well  below  and  detrimental  frequency.  

See  the  table  above.    

   

                                                                                                               3  (Holman  2010)  

Song/Artist   Noticed     Didn’t  Like   Couldn’t  Stand  Ed  is  a  Portal/Akron  Family   36Hz   62Hz   118Hz  Danse  Caribe/Andrew  Bird   37Hz   64Hz   94Hz  Dope  Crunk/Beats  Antique   35Hz   68Hz   110Hz  Get  Innocuous/LCD  Soundsystem   42Hz   62Hz   96Hz  If  You  Want  Me  to  Stay/Red  Hot  Chili  Peppers   32Hz   62Hz   110Hz  Average   36.4Hz   63.6Hz   105.6Hz  

  8  

Driver  Size  and  Spacing     To  accommodate  the  low-­‐end  response  wanted  of  the  2way  cabinets  I  would  

need  decent  sized  woofers  or  mid-­‐woofers.  I  am  choosing  to  use  5”-­‐6.5”  woofers  to  

get  the  desired  low-­‐end  response,  but  minimize  the  directionality  at  mid-­‐

frequencies.  Because  the  speakers  are  an  M-­‐T-­‐M  design,  I  will  have  to  get  the  

woofers  as  close  together  as  possible  to  reduce  vertical  lobbing.  This  is  a  design  

issue  that  I  will  have  to  face  with  some  creativity.    

  The  tweeter  size  I  plan  on  using  will  be  a  1.25”  dome.  This  will  allow  better  

power  handling  at  the  “lower”  frequencies;  around  the  2kHz  crossover.  However,  I  

may  choose  to  end  up  with  a  smaller  tweeter  in  order  to  get  the  woofer  spacing  as  

close  as  possible.    

  The  subwoofers  are  10”  woofers,  which  is  the  best  diameter  for  performance  

in  the  size  of  the  cabinet  that  I  will  be  using.    

  As  I  have  said  earlier,  the  most  important  thing  to  do  is  to  get  the  woofers  as  

close  together  as  possible  for  the  MTM  design  to  works  its  best.  There  are  multiple  

ways  of  attempting  this.  One  way  is  to  countersink  the  tweeter  so  that  the  edge  of  

the  woofers  can  actually  overlay  on  top  of  the  tweeter.  Another  would  be  to  put  the  

tweeter  off-­‐center  of  the  array  so  that  to  two  drivers  could  be  as  close  as  possible.  

I’ve  decided  to  do  a  combination  of  both.  If  I  could  get  the  two  woofer  centers  within  

8”  of  one  another,  that  would  give  me  minimal  lobbing  up  to  approx.  1000Hz.    

(See  Figure  5)  

 

Directivity     The  directivity  goal  of  the  Aeternus  Lux  system  is  to  be  as  widely  dispersed  

in  the  horizontal  as  possible  at  the  cost  of  vertical  lobing.  The  Midwoofer-­‐Tweeter-­‐

Midwoofer  (MTM)  has  good  horizontal  dispersion,  however  does  not  perform  as  

well  with  vertical  dispersion.  Although  that  is  not  necessarily  a  bad  thing,  as  THX  

standards  call  for  tighter  vertical  dispersion.    

  9  

   

Figure  5  

  10  

Technical  Details  

Baffle  Step  

  The  Aeternus  Lux  system  will  have  a  front  baffle  with  a  width  of  

approximately  8  inches.  To  determine  the  frequency  at  which  my  speakers  will  

begin  to  propagate  into  “free  space,”  I  found  the  equation  of  𝑓!=!,!"#!!

,  Where  𝑊!  is  

the  width  of  your  baffle  and  𝑓!  is  the  3dB  down  point  when  moving  from  halfspace  

to  full  space  in  frequency.4  The  𝑓!  frequency  for  this  design  will  be  at  about  506Hz,  

which  will  require  some  mid-­‐high  and  high  frequency  padding  to  maintain  a  flatter  

response.

Construction  Materials     For  the  construction  of  the  speaker  cabinets,  I  plan  to  use  a  combination  of  

hardwood,  ¾”  medium-­‐density  fiberboard  (MDF)  and  ¾”  ply  wood.  For  the  exterior,  

the  speakers  will  have  a  cherry  baffle  and  MDF  sides.  The  MDF  allows  for  ease  of  

sanding  and  fine  adjustments,  which  is  very  beneficial  for  a  glossy  paint  finish.  The  

MDF  is  also  extremely  heavy  and  will  aid  greatly  in  mechanical  grounding.  The  3/4"”  

ply  will  be  used  internally  for  bracing,  added  support  and  reduction  of  resonant  

modes.    

   

                                                                                                               4  “Baffle Step Diffraction,” (Neal Jason M.) accessed January 13th, 2013 http://www.t-linespeakers.org/tech/bafflestep/index.html  

Figure  5  (Effects  of  a  baffle  with  a  width  of  18")(Neal)

  11  

Diffraction  and  Speaker  Shape     The  Aeternus  Lux  system  will  be  a  rectangular  cabinet,  modular,  floor  

standing  speaker  system.  The  rectangular  cabinet,  as  can  be  seen  in  Olson’s5  study  

of  cabinet  shapes  and  diffraction  results,  does  not  have  the  best  frequency  response  

out  of  the  possible  shapes.  However,  as  far  as  design  priorities  go  I  am  willing  to  

deal  with  the  frequency  variations  due  to  the  diffraction  effect  for  ease  of  

construction  and  aesthetic  quality.  The  speakers  will  have  rounded  edges  around  

the  front  baffle  to  smooth  out  the  diffraction  effect  across  the  frequency  spectrum  

and  not  have  a  sudden  severe  phasing  effect  at  a  specific  frequency.      

 

 

 

 

 

     

                                                                                                               5  Henry F. Olson, “Direct Radiator Loudspeaker Enclosures,” AES Paper, October 27th, 1950, 34.  

  12  

Driver  Analysis  &  Selection     This  section  will  detail  the  process  of  elimination  used  to  choose  the  final  

drivers  implemented  in  the  system.    

Tweeter  Analysis     For  the  system  at  hand,  I  plan  to  use  a  soft  dome-­‐tweeter  with  a  minimum  

sensitivity  of  90dBspl.  The  tweeter  needs  to  have  a  resonant  frequency  of  1000Hz  or  

less  to  allow  for  a  lower  crossover  point.  Some  of  the  tweeters  I  have  picked  to  

analyze  further  are:  • Jantzen  JA-­‐2806  1-­‐1/8"  Soft  Dome  Tweeter  • Tang  Band  28-­‐1582S  1-­‐1/8"  Fabric  Dome  Tweeter  • Morel  MDT29-­‐4  1”  Soft  Dome  Tweeter  • Morel  ET  448  1-­‐1/8"  Soft  Dome  Tweeter  • Morel  MDT30S-­‐4  1”  Textile  Dome  Tweeter    

 Name   Sensitivity     Fs   Power  Handling  (RMS)   Price  Jantzen  JA-­‐2806   91dB   700Hz   100  Watts   $85.94  Tang  Band  28-­‐1582S   94dB   900Hz   12  Watts   $109.47  Morel  MDT  29   92dB   1000Hz   80  Watts   $53.10  Morel  ET  448   92dB   750Hz   120  Watts   $117.30  Morel  MDT30S   92dB   1020Hz   200  Watts   $51.00  (sale)        

  13  

Tweeter  #1  Detail  Jantzen  JA-­‐2806       I  found  the  Jantzen  JA-­‐2806  to  be  a  very  prime  contender  as  my  tweeter  choice.  It  has  an  incredibly  low  Fs,  couple  with  its  natural  first  order  roll  off  due  to  its  internally  built  transmission  line.  It  is  also  ferrofluid  cooled  to  maintain  a  high  power  handling.  The  price  also  resonates  well  with  me,  sitting  at  a  reasonable  $85.  Some  of  the  drawbacks  include  the  fact  that  the  frequency  response  doesn’t  include  an  off-­‐axis  response,  which  is  a  major  component  of  my  design.  I  also  didn’t  like  how  smoothed  the  response  is.    

 

Tweeter  #2  Detail  Tang  Band  28-­‐15826       The  tang  band  28-­‐15826  is  a  very  nice  tweeter.  One  of  the  things  that  really  stood  out  to  me  is  sensitivity  coupled  with  the  relatively  low  Fs.  With  94dB  sensitivity,  there  would  be  no  problem  get  this  speaker  as  loud  as  I  need  it  to  be.  However,  if  you  look  at  the  impedance  graph,  the  slope  is  rather  gradual  and  it  begins  rising  around  the  point  where  I  want  by  crossover  to  begin.  However,  it  has  an  incredibly  flat  frequency  response  but  again,  it  doesn’t  have  an  off  axis  response  which  is  a  huge  component  of  my  design.    

       

  14  

Tweeter #3 Detail Morel  MDT29-­‐4       The  Morel  MDT29-­‐4  has  an  amazing  off-­‐axis  response,  one  of  the  first  things  I  noticed  about  this  tweeter.  Its  ferrofluid  cooled  and  has  an  amazing  power  handling  of  80  watts,  giving  you  a  safety  net  for  overpowering.  The  Fs  is  at  the  highest  I  would  really  want  it,  but  the  impedance  spike  is  rather  narrow.  It  also  has  a  good  sensitivity  of  92dB,  and  the  price  is  great  at  $53.    

   

Tweeter #4 Detail Morel  Elite  ET  448     The  Morel  Elite  ET  448  is  an  amazing  tweeter.  The  off-­‐axis  is  again  phenomenal,  and  the  power  handing  capabilities  of  the  driver  is  amazing.  The  sensitivity  at  92dB  is  more  than  I  need.  Not  only  is  the  off-­‐axis  response  of  this  driver  fantastic,  but  it  also  has  a  very  flat  response.  It  is  also  ferrofluid  cooled,  which  is  one  of  the  reasons  the  power  handling  is  so  amazing.  Another  greater  feature  is  the  small  diameter  of  the  faceplate,  at  only  2.83”,  which  works  great  for  an  MTM  design.  The  major  setback  is  the  price,  coming  in  at  $117.30.  

 

  15  

Tweeter #5 Detail Morel  MDT30S-­‐4     The  Morel  MDT30S-­‐4  is  another  greater  tweeter  from  morel.  Again,  this  tweeter  has  an  incredible  off  axis  response.  The  frequency  response  in  general  is  absolutely  amazing.  Its  power  handling  has  beaten  anything  else  I  looked  at  with  a  RMS  value  of  200watts.  That  makes  me  feel  very  comfortable  with  this  driver,  and  not  worried  about  damaging  it  with  a  clipping  amp  as  much.    The  sensitivity  sits  the  same  as  the  rest  of  the  Morel’s  I’ve  looked  at,  92dB.  The  price  is  also  very  good,  only  $51,  which  is  on  sale  from  its  normal  price  of  $72.  The  major  downside  of  this  tweeter  is  its  somewhat  high  Fs  at  1020Hz.    

   

   

  16  

Woofer  Analysis       The  system  at  hand  will  be  using  two  matched  5-­‐6”  mid-­‐woofers  per  speaker.  

The  mid-­‐woofers  need  to  have  a  very  low  resonant  frequency,  good  response  into  

the  low  end,  and  a  minimum  sensitivity  of  85dB.  They  also  need  to  perform  well  in  a  

vented  box  in  order  to  get  the  low-­‐end  frequency  response  that  I  desire.  Some  of  the  

woofers  I  have  choose  to  analyze  further  are:  • Audax  HM170C0  6.5"  Carbon  Fiber  Woofer  • SB  Acoustics  SB17NRXC35-­‐4,  6.5"  Woofer  • ScanSpeak  Discovery  15W/4434G  5.25”  Midwoofer  • SEAS  Prestige  L15RLY/P  (H1141)  5.5"  Aluminum  Cone  Woofer  • Morel  MW144-­‐4  5"  Damped  Polymer  Composite  cone  

   Name   Sensitivity   Power  Handling   F3  Flat     F3  Extended   Price  

Audax  HM170C0   90dB   60  Watts   55Hz   46Hz   $102.80  SB  Acoustics  SB17NRXC35   92dB   60  Watts   51Hz   43Hz   $62.40  ScanSpeak  Discovery  15W   90dB   120  Watts   92Hz   72Hz   $70.70  Seas  Prestige  L15RLY   86dB   80  Watts   60Hz   45Hz   $88.40  Morel  MW144   85.5dB   150  Watts   62Hz   40Hz   $115.80            

  17  

Woofer  #1  Detail  Audax  HM170C0  6.5”     The  Audax  HM170C0  is  an  interesting  driver.  It  has  a  carbon  fiber  Woven  cone.  Apparently  it  allows  for  a  more  dynamic  bass  response  and  helps  create  a  natural  first  order  roll  off  on  the  high  end,  making  the  crossover  design  that  much  easier.  With  a  flat  response  bass  reflex  cabinet,  I  can  get  down  to  55Hz  with  the  drivers.  They  also  have  a  fantastic  sensitivity  at  90dB.  The  main  downside  of  this  is  the  driver  style  (shape)  and  the  size.  A  6.5”  driver  will  be  hard  to  get  8”  CTC  (center  to  center)  apart  with  an  MTM  design.    

 

 4th  order  vented  box  –  Flat  Response    

 4th  order  vented  box  –  Extended  response  

  18  

Woofer #2 Detail SB  Acoustics  SB17NRXC35-­‐4       I  am  astonished  with  the  quality  of  this  driver  for  the  price  that  it  sells  for.  It  has  an  amazing  frequency  response  and  extremely  high  sensitivity,  which  is  perfect  for  the  high  SPL  that  I  want.  The  two  downsides  of  this  driver  is  the  large  size  of  the  box  necessary  to  have  a  flat  4th  order  bass  reflex  cabinet  and  the  fact  that  it  would  be  hard  to  get  a  really  close  MTM  design  with  that  large  of  a  driver.    

 

 4th  Order  vented  box  –  Flat  Response  

4th Order vented box – Extended Response  

  19  

Woofer #3 Detail ScanSpeak  Discovery  15W/4434G     The  ScanSpeak  Discovery  is  probably  one  of  the  poorest  choices  for  this  design.  However,  it  is  a  great  driver  for  the  application  it’s  meant  for.  The  F3  point  I  got  with  the  vented  box  with  a  flat  tuned  response  was  only  92Hz.  That  is  not  low  enough  to  be  a  stand-­‐alone  driver.  The  size  is  perfect  to  get  the  MTM  close  together,  but  the  response  won’t  work  for  the  design.  

   4th  order  vented  box-­‐  flat  response  

 4th  order  vented  box  –  extended  response  

  20  

Woofer #4 Detail SEAS  Prestige  L15RLY/P  (H1141)     The  Seas  Prestige  L15RLY/p  is  an  excellent  driver.  The  low  end  response  for  the  size,  5.5”,  is  absolutely  phenomenal.  The  driver  also  has    really  great  frequency  response.  These  drivers  are  known  for  their  tight,  clear  sound,  which  is  a  very  wanted  trait.  The  breakup  frequency,  which  is  inherent  in  aluminum  cone  drivers,  doesn’t  happen  until  very  far  past  my  desired  crossover  range.  They  also  come  at  a  very  reasonable  price.    

 

 4th  order  vented  box  –  Flat  Response  

 4th  order  vented  box  –  Extended  Response  

  21  

Woofer #5 Detail Morel  MW144-­‐4     The  main  component  that  stands  out  on  the  Morel  MW144  is  its  amazing  power  handling  capabilities.  It  also  has  a  relatively  tight  frequency  response  and  a  pretty  low  F3  for  the  size  of  the  driver.  However,  after  all  of  this  its  largest  and  most  prominent  con  is  the  cost.  It’s  hard  to  consider  this  as  a  feasible  driver  when  you  need  to  purchase  four  and  have  a  reasonable  budget.      

 4th  order  vented  box  –  Flat  Response  

 4th  order  vented  box  –  Extended  Response    

  22  

Subwoofer  Analysis    

Subwoofer  #1  Detail  SB  Acoustics  SB29SWNRX-­‐S75  10"  Woofer  Sensitivity  =  86dB  F3  =  25Hz  dB  SPL  @2m  =  99dB  Price  =  $164.65  

 4th  Order  Vented  Box  –  Extended  Response  

 4th  Order  Vented  Box  –  Flat  Response      

  23  

Subwoofer  #2  Detail  Dayton  Audio  TIT280C-­‐4  10"  Titanic  Mk  III  Sensitivity  =  85dB  F3  =  42Hz  dB  SPL  @  2m  =  104  Price  =  $155.79  

 4th  Order  Vented  Box  –  Extended  Response  

 4th  Order  Vented  Box  –  Flat  Response            

  24  

Subwoofer  #3  Detail  Peerless  830668  10"  Paper  Cone  SLS  Sensitivity  =  87.9dB  F3  =  39Hz  dB  SPL  @  2m  =  101dB  Price  =  $74.14  

 4th  Order  Vented  Box  –  Extended  Response  

 4th  Order  Vented  Box  –  Flat  Response        

  25  

Subwoofer  #4  Detail    Vifa  NE265W-­‐08  10"  Subwoofer  Speaker  Sensitivity  =  84dB  F3  =  38Hz  dB  SPL  @2m  =  97dB  Price  =  $159.00    

 4th  Order  Vented  Box  –  Extended  Response  

 4th  Order  Vented  Box  –  Flat  Response    

  26  

Subwoofer  #5  Detail  Dayton  Audio  SD315A-­‐88  12"  Sensitivity  =  89.6dB  F3  =  45Hz  dB  SPL  @2m  =  103dB  Price  =  $58.25    

   

 4th  Order  Vented  Box  –  Extended  Response  

 4th  Order  Vented  Box  –  Flat  Response    

  27  

Driver  Selection    

Tweeter  Selection  Morel  MDT30S-­‐4     The  Morel  MDT30S-­‐4  seemed  to  be  the  best  choice  for  the  Aeternus  Lux  

Modular  System.  The  sensitivity  is  92dB,  which  is  more  than  efficient  enough  for  the  

SPL  that  I  want.  The  off  axis  is  also  phenomenal,  a  must  have  for  home  theater  and  

5.1  systems.  The  price,  which  on  sale  is  at  $51.00,  also  sits  very  nicely  in  any  budget  

and  will  make  for  painless  repairs  in  the  future.  The  only  downside  to  the  driver  is  

the  high  Fs  of  1020Hz  which  borders  my  maximum.  However,  this  can  be  dealt  with  

by  some  clever  crossover  design.    

 

Woofer  Selection  Seas  Prestige  L15RLY-­‐P     The  SEAS  Prestige  L15RLY-­‐P  ended  up  being  the  best  choice  for  the  Aeternus  

Lux  system.  The  sensitivity  is  not  that  high,  however  it  will  work  for  the  required  

crest  SPL.  The  F3  I  was  able  to  model  in  the  4th  order  vented  box  was  at  about  60Hz,  

which  is  pretty  low  for  the  standalone  speaker  itself.  The  size  of  the  drivers  was  also  

a  huge  selling  point,  being  that  I  could  maintain  the  original  goal  of  getting  my  CTC  

for  the  two  MTM  woofers  to  be  at  about  8”  to  minimize  lobing.  They  also  sit  very  

nicely  in  any  budget,  at  the  cost  of  about  $88.  

 

Subwoofer  Selection  SB  Acoustics  SB29SWNRX-­‐S75  10"     The  SB  acoustics  SB29SWNRX  subwoofer  seemed  to  be  the  ideal  woofer  for  

the  enclosure  I  designed  for  the  side-­‐firing  subwoofers.  After  modeling,  these  

woofers  gave  me  the  lowest  F3  at  25Hz,  which  is  more  than  enough.  This  comes  at  

the  sacrifice  of  a  lower  SPL  than  some  of  the  other  options,  but  I  am  willing  to  rely  

on  the  equal  loudness  curve  and  cabin  gain  (room  gain)  to  account  for  this  loss  in  d  

decibels.  

 

 

 

  28  

 Crossover  Design  

  Initial  Design     For  the  crossover  design,  I  made  sure  to  implement  a  voicing  that  helps  contribute  to  the  low  fatigue,  mellow  sound  I  desire  for  the  Aeternus  Lux  system.  The  crossover  will  be  third  order  on  both  ends  with  the  F3  for  the  tweeter  at  about  3000Hz  and  the  F3  for  the  woofer  at  1500Hz.  This  will  allow  for  a  nice  dip  in  the  fatiguing  frequencies.  I  also  implemented  an  L-­‐pad  for  the  tweeter  to  match  it  to  the  woofer,  and  a  baffle  step  compensation  circuit  for  the  woofer.      

  29  

Testing  &  Tuning  

Initial  Performance  and  Tuning       The  initial  sweep  of  the  mains  (the  MTM  modules)  showed  that  I  had  boosted  low  end  and  dropped  highs.  There  were  also  some  issues  with  my  baffle  step  compensations  circuit,  as  it  seemed  to  be  over  compensating.  Some  serious  action  needed  to  be  taken,  and  I  started  with  the  woofer.    

 Initial  Integrated  response  (Woofer  is  Red,  Tweeter  Yellow,  Overall  Purple)  

  Noticing  the  large  boost  at  around  100Hz,  the  first  successful  measure  taken  was  to  remove  the  baffle  step  correction  circuit  to  see  if  the  smoothed  out  the  response.  The  result  is  as  follows:    

 Woofer  (In  Green)  after  the  baffle  step  correction  circuit  had  been  removed  

       

  30  

Now  that  the  woofer  was  successfully  tuned,  I  wanted  to  see  what  happened  if  I  took  the  L-­‐Pad  off  of  the  tweeter,  as  the  high  end  was  dipped  quite  a  bit  in  the  initial  test.  The  results  were  as  follows:    

 Tweeter  without  L-­‐Pad  

  As  you  can  see,  taking  the  L-­‐pad  off  evened  out  the  frequency  response  until  a  very  large  boost  at  around  7kHz.  Because  the  boost  looked  so  much  like  a  shelf,  I  decided  to  use  a  shelving  filter  to  bring  down  that  high-­‐end  sizzle.  After  much  experimentation,  the  results  were  as  follows:    

 Tweeter  with  high-­‐shelf  as  compared  to  with  out  

                 

  31  

The  high-­‐shelf  helped  a  lot  to  flatten  out  the  high  end  response  and  bring  it  with  in  approximately  +/-­‐  2dB  of  the  woofers  response.  However,  if  you  notice  there  is  quite  serious  wavering  in  the  upper  highs,  starting  at  about  7kHz.  After  some  contemplation,  I  realized  that  it  seemed  to  be  a  diffraction  issue,  inherent  with  the  inset  tweeter  and  the  raised  edge  around  it.  Instead  of  trying  to  sand  this  edge  down  to  perfection  and  risk  having  a  very  strange  looking  baffle,  it  was  suggested  to  try  acoustically  absorbent  foam  around  the  edge  of  the  tweeter.  After  some  trial  and  error,  the  results  were  as  follows:    

 Tweeter  with  black  foam  surround  

  The  foam  surround  help  tremendously  with  the  diffraction  issues,  and  saved  the  aesthetic  appeal  of  the  final  design  with-­‐out  compromise.    

Enclosure  Optimization     One  of  the  goals  of  the  Aeternus  Lux  system  is  to  have  a  very  spacious  sound  stage,  but  not  blurry  necessarily.  Without  any  stuffing  inside  the  cabinet,  the  sound  stage  is  massive,  however  very  blurred  as  far  as  specificity  of  imaging.  After  much  trial  and  error,  the  final  stuffing  I  choose  to  use  was  a  small  amount  of  blue  construction  foam  above  the  brace,  and  cover  the  back  wall  of  the  speaker  in  pink  insulation.  This  tightened  up  the  special  imaging  until  almost  laser-­‐like,  created  a  beautiful  phantom  center,  and  also  let  the  speakers  breathe  enough  to  have  incredible  depth.      

  32  

Final  System  Documentation  

Final  Testing  Results  

Frequency  Response  

 

Integrated  Response  

 Purple  overall,  Yellow  Woofer,  Blue  Tweeter,  Green  Port  

Harmonic  Distortion    

 

  33  

Minimum  Phase  Response  

 

Horizontal  Off-­‐Axis  Response  

 Purple  0°,  Yellow  15°,  Red  30°,  Blue  45°,  Green  60°  

Vertical  Off-­‐Axis  Response  

 Purple  0°,  Blue  15°,  Yellow  30°,  Green  45°,  Red  60°  

       

  34  

Difference  Plot  

 

Step  Response  

 

Integrated  Step  Response  

 Woofer  is  yellow,  Tweeter  is  blue  

     

  35  

Impulse  Response  

 

Waterfall  Plot    

Sub  Response  

   

 

 

 

     

  36  

Cross-­‐over  Schematic  

     

  37  

As-­‐built  Drafting      

   

  38  

   

  39  

   

  40  

   

Bibliography    

• Chini  Hifi  Audio.  www.china-­‐hifi-­‐audio.com  (accessed  January  2013).  • Design  Buzz.  www.designbuzz.com  (accessed  January  2013).  • Holman,  Tomlinson.  Sound  for  Film  and  Television.  Focal  Press,  2010.  • Moulton,  David.  Total  Recording.  Sherman  Oaks:  KIQ  Productions,  2000.  • Neal,  Jason  M.  Baffle  Diffraction  Step:  An  introduction.  http://www.t-­‐

linespeakers.org/tech/bafflestep/index.html  (accessed  Jan  2013).  • Newell,  Philip,  and  Keith  Holland.  Loudspeakers  for  Music  Recording  and  

Reproduction.  1st  Edition.  Burlington  :  Focal  Press,  2007.  • Olson,  Henrey  F.  "Direct  Radiator  Loudspeaker  Enclosures."  AES  Paper,  

October  27,  1950:  34-­‐38;63-­‐64.  • Sound  Gallery.  www.soundgallery.co.uk  (accessed  January  2013).