Improving Two–Way Loudspeaker Directivity

Abstract

Compact conventional two–way loudspeakers radiate omnidirectionally typically at frequencies below 500 Hz and the acoustic directivity of increases with frequency. Such loudspeakers couple with room acoustics efficiently at low frequencies, evoking room mode resonances and early reflections, and this tends to decrease the perceived sound quality in room.

In the present work, functional model of a compact a two–way loudspeaker with increased directivity was implemented. Increasing the low–middle frequency directivity also reduced the variation in directivity across audible frequencies. Because the directivity in conventional loudspeaker designs depends primarily on the physical dimensions and shapes, compact two–way loudspeakers naturally have low directivity at low frequencies and particularly compact loudspeaker designs cannot generate significant directivity at low frequencies. In this Thesis directivity at low frequencies was increased actively, using a secondary transducer and signal processing. The secondary transducer cancelled sound behind the loudspeaker creating directivity in the frequency range 80–600 Hz. Anechoic measurements, listening room measurements and listening tests studied the performance of the loudspeakers with typical directivity and actively increased low frequency directivity.

Objective room measurements demonstrated reduction in the decay energy and the decay started at a lower level, causing less psychoacoustic masking. The subjective test data was analysed using the analysis of variance, principal component analysis and factor analysis. The statistical analysis demonstrated that the increase of the loudspeaker directivity in the low–middle frequencies can improve the subjective sound quality significantly. Increase of the low–middle frequency directivity improved clarity, reduced sound colouration, improved virtual sound image definition and transient reproduction compared to the conventional loudspeaker directivity.

Tavanomainen kooltaan pieni kaksitiekaiutin on yleensä ympärisäteilevä alle 500 Hz taajuuksilla ja kaiuttimen suuntaavuus lisääntyy taajuuden kasvaessa. Matalilla taajuuksilla ympärisäteilevä kaiutin kytkeytyy voimakkaasti huoneen akustiikkaan, jolloin se herättää huoneresonansseja ja tuottaa aikaisia heijastuksia. Yleensä vahva huoneen akustiikkaan kytkeytyminen huonontaa havaittua äänenlaatua.

Tässä työssä suunniteltiin ja toteutettiin kooltaan pieni matalilla taajuuksilla suuntaava kaksitiekaiutin. Suuntaavuuden lisääminen matalilla taajuuksilla vähentää samalla suuntaavuuden vaihtelua kuulotaajuusalueella. Tavanomaisen kaksitiekaiuttimen suuntaavuus määräytyy pääasiallisesti kaiuttimen mittojen ja muotojen perusteella, eikä kooltaan pieni kaiutin pysty tuottamaan suuntaavuutta matalilla taajuuksilla. Tässä työssä suuntaavuus saatiin aikaan aktiivisesti käyttäen digitaalista äänenkäsittelyä ja toista kaiutinelementtiä, joiden avulla suuntaavuutta lisättiin 80–600 Hz taajuuksilla vaimentamalla kaiuttimen takasäteilyä. Äänenlaatua verrattiin tavanomaiseen kaksitiekaiuttimeen tekemällä vapaakenttämittauksia, huonemittauksia ja kuuntelukokeita.

Huonemittauksissa nähtiin huoneen jälkisoinnin vähenevän. Jälkisointi myös käynnistyi alemmalta tasolta ja näin jälkisoinnin tuottama psykoakustinen peittoilmiö väheni. Kuuntelukoedataa tutkittiin varianssi–, faktori– ja pääkomponenttianalyysillä. Tilastolliset analyysit kertoivat suuntaavuuden lisäämisen matalilla tajuuksilla parantavan koettua äänenlaatua merkittävästi. Suurempi suntaavuus lisäsi äänen selkeyttä, selkeytti äänikuvan rakennetta ja tarkkuutta, vähensi äänen värittymistä ja paransi transienttitoistoa tavanomaiseen kaksitiekaiuttimeen verrattuna.