Optimizing the design of omnidirectional loudspeaker for airborne sound insulation measurements

Abstract

This thesis assesses the design limitations specified by ISO 16283 for loudspeakers used in airborne sound insulation measurements. A prototype loudspeaker was developed to intentionally deviate from these guidelines. Utilizing the ring radiator principle, the proposed design features a "pill"-shaped enclosure with dimensions of 250 mm in diameter and 600 mm in height. The design incorporates two opposing 8" coaxial drivers. Evaluated in an anechoic chamber, the proposed design produced a broadband sound power level of 118 dB, compared to 113 dB for the reference speaker 01dB LS01. For the critical 100 - 3150 Hz 1/3 octave bands, the minimum sound power level was 103 dB with an average of 105 dB, compared to the reference, which had a minimum level of 97 dB and an average of 101 dB.

While the design surpassed the targeted sound power levels, it moderately deviated from the ISO 16283 directivity criteria by exceeding the ±2 dB limit at the 630 Hz 1/3 octave band by 0.2 dB. Compared to a commercial dodecahedron loudspeaker the 01dB LS01, the prototype demonstrated higher sound power levels but with directivity deviations starting at lower frequencies.

Battery life for the prototype was calculated to exceed two hours, with the capability for a full recharge in less than 30 minutes. The proposed designs total weight, including the battery, remained under 10 kg.

The thesis questions the inflexible design constraints set by ISO 16283 and recommends further exploration, particularly focusing on the effects of directivity deviations at various frequencies regarding sound insulation measurements. The findings suggest avenues for improvements in both loudspeaker design and existing ISO standards in the field of building acoustics.

Tässä opinnäytetyössä arvioidaan ISO 16283 -standardin mukaisia suunnittelurajoituksia ilmaääneneristysmittauksissa käytettäville kaiuttimille. Prototyyppikaiutin suunniteltiin tarkoituksella rikkomaan näitä rajoituksia. Ehdotettu kaiutinmalli perustuu rengassäteilijään, ja siinä on pillerin"muotoinen kotelo, jonka halkaisija on 250 mm ja korkeus 600 mm. Siinä on kaksi vastakkaista 8 tuuman koaksiaalielementtiä. Kaiuttomassa huoneessa mitattuna ehdotettu kaiutin tuotti 118 dB:n laajakaistaisen äänitehotason, kun kaupallisen vertailukaiuttimen 01dB LS01:n tehotaso oli 113 dB. Kriittisillä 100-3150 Hz:n 1/3-oktaavikaistoilla äänitehon vähimmäistaso oli 103 dB ja keskiarvo 105 dB, kun vertailukaiuttimen vähimmäistaso oli 97 dB ja keskiarvo 101 dB.

Vaikka ehdotettu kaiutin ylitti tavoitellut äänitehotasot, se poikkesi hieman ISO 16283:n suuntaavuuskriteereistä, ylittämällä ±2 dB:n rajan 630 Hz:n 1/3-oktaavikaistalla 0,2 dB:llä. Kaupalliseen 01dB LS01 dodekaedrikaiuttimeen verrattuna ehdotettu kaiutin pystyi korkeampiin äänitehotasoihin, mutta sen suuntaavuuspoikkeamat alkoivat matalammilla taajuuksilla.

Ehdotetun kaiuttimen akun käyttöiän laskettiin olevan yli kaksi tuntia, ja sen pystyy lataamaan kokonaan alle 30 minuutissa. Kaiuttimen kokonaispaino akku mukaan luettuna jäi alle 10 kiloon.

Työssä kyseenalaistetaan ISO 16283 -standardin asettamat tiukat suunnittelurajoitukset ja suositellaan jatkotutkimuksia, joissa keskityttäisiin erityisesti eri taajuusalueiden suuntaavuuspoikkeamien vaikutuksiin äneneristysmittauksissa. Tulosten perusteella on havaittu kehitettävää sekä kaupallisissa kaiuttimissa että nykyisissä rakennusakustiikan ISO-standardeissa.