Pilotage HP en courant et asservissement

[maxidcx]

Salut;

J'ouvre ce topic pour discuter de l'intérêtet des possibilités de piloter un haut parleur en courant (au lieu de tension) et de l’intérêt d’intégrer ou d'ajouter une solution d'asservissement basée sur la mesure du courant à un ampli classique.

le but est de dépasser no solution hifi/diy standard qui consistent à avoir un bon ampli, un bon dac, de bon HP dans une enceinte bien calculée et des filtres aux petits oignons, pour adresser des aspects plus vicieux liés à la distorsion du HP dans son enceinte et dans le milieu.

on peux débattre de quels sont les bénéfices du drive en courant (genre compensation de la modification de la résistance de la bobine avec l'échauffement bien sur), quels effet les différentes impédance ont sur le courant demandé, et quels composantes seront restituées sur une mesure du courant, qui permettrait de faire ou de participer à un asservissement.

on peux proposer des solutions d'ampli ou de montages complémentaires
on peux parler de correction amont (feedforward) à mettre dans un DSP / DSPiy, en conjonction d'un drive en courant, ou des boucles de contre réactions et leurs caractéristiques.
Toutes les contributions théoriques ou pratiques sont le bienvenues.
ceux qui pensent, comme sur le respecté site ESP (lien ci dessous) que ça n'apporte rien sont les bienvenus aussi, on essaiera de les convaincre .

voila c'est juste le post de démarrage, je vais résumer dans le second post quelques documents et schémas pour enrichir ce topic.
Si vous postez des liens sur des sites ou des documents relatif à ce sujet, je les synthétiserai ci dessous.

allez pour commencer le lien du jour :
http://www.current-drive.info/
et comment l'art naif peux nous faire refléchir (merci Alkasar):

[maxidcx]

réservé pour les liens

dossier google drive contenant des copies de fichiers relatifs MFB-CFB
https://drive.google.com/folderview?id= ... sp=sharing
Document de Mills et Hawksford sur la reduction de distorsion par pilotage en courant:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
papier AES proposant une nouvelle façon de modéliser l'impédance électrique du HP:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
papier sur l'asservissement en vitesse en utilisant une seconde bobine avec annulation d'inductance mutuelle:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
papier AES compensation de l'impedance Le de la bobine (aka zobel):
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
patent Yamaha circuit add-on utilisant CFB et compensation impedance:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
patent Yamaha circuit additionel pour amplificateur, reglage cfb nfb
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
loudspeaker and negative impedance (1958!)
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
papier de Nelson Pass sur les crossover Serie pour drive en courant:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing

Power point de Klippel expliquant les possibilités pour corriger les distorsions
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
Pdf de klippel non linear loudspeaker control:
premiere version : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
version plus récente et plus développée : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing

thèse de Bo Rohde Pedersen Error Correction of loudspeaker détaillant les non linéarités et leur comportement dans le temps ou en température et des résultats de tests IIR ou FIR (187pages):
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
meme genre de thèse de Karsten Oyen (2007) sur la compensation des non linéarités avec un DSP pour B&O:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
thèse de Martin Rune Andersen (2005) compensation de non linéarités dans le transducteur:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing

Les basics:
modèles pour simulation electro-acoustique par M.Leach (1991) inclue impédance radiation
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
formules de calculs utilisées dans WinISD (Janne Ahonen):
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
l'enceinte basse reflexe par H.Small:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
et l'enceinte close:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
le HP en Equations par Kyle Lahnakoski:
http://www.arcavia.com/kyle/Equations/index.html


Solution de drive en courant et commentaire des auteurs:
Site de Rod Elliot ESP : http://sound.westhost.com/project56.htm
Site de Esa Meriläinen : http://www.current-drive.info/
résumé en 2 PDF du site et du bouquin (presque) :
part1: https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
part2: https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
40 premieres pages de son bouquin : http://files.kotisivukone.com/currentdr ... ample2.pdf
papier de Jean-Michel Le Cléac'h tests sur compression TAD :
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
site de frans sessink avec un premier papier pdf sur impédance positive et "son tube/transfo oldies"
http://brightnoise.nl/
un site qui présente des essais de thd
http://pmacura.cz/speaker_dist.htm

Système ACE-Bass (asservissement sur mesure du courant en compensation Bass-reflex):
Patent Karl Erik Stahl : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
Shéma d’implémentation typique de Bjorn O : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
Implémentation pratique sur un Peerless Balding's blog: http://www.sensibleaudio.dk/BaldinsBlog/?p=339
enceinte Mackie SRM450 Bass reflex utilisant un schéma très proche Ace-bass:
schéma de la V1 (ampli LF classe G 300W + HF 100W) : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
schemas de la V2 (ampli LF classe D + ampli HF TDA7294) : https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
Analyse de J.C.B. : post178260205.html#p178260205


Liens divers:
DIYAUDIO:
un post actif sur le drive en courant, partant du bouquin de Esa
http://www.diyaudio.com/forums/solid-st ... akers.html
un fil de l'an dernier de Joe Rasmussen avec un ampli sur la base du LM3875:
http://www.diyaudio.com/forums/chip-amp ... ifier.html
Experience Jean-Michel Le Cléac'h sur compression:
http://www.diyaudio.com/forums/multi-wa ... ost2745626

HCFR:
Exemple de réalisation utilisant un asservissement par mesure du courant pour contrôle de la membrane en vitesse et convertisseur vitesse pression:
Zippy sur HCFR : post174265815.html#p174265815

Autres:
site de la puce a l'oreille, asservissement d'un HP : http://www.delapucealoreille.com/article-18098822.html
concept de circlotron avec integration d'une Howland current pump: http://www.tubecad.com/2013/10/blog0274.htm


le coin des simulations:
JMPlantefeve simualtion d'un HP dans une enceinte bass reflex (LTSpice):
http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr/simul-hp.html
idem en enceinte close : http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr/LT_box.html
dossier google drive contenant les simulations effectuées par les contributeurs du topic:
https://drive.google.com/folderview?id= ... sp=sharing

[J-C.B]

Bonsoir Maxidcx,
C'est une riche idée que tu as la. Son application remet en cause de nombreuses habitudes prises pour le calcul d'une enceinte, et même, pour l'asservissement sur la base d'un ampli de tension.
Le sujet est riche, mais de ce que j'en connais, l'amplification en courant nécessite forcément une boucle qui permet l'amortissement du HP.
Je veux dire par la qu'un tel ampli délivre, dans le HP, un courant i(HP) de la forme i(HP)= ga .Ve
dans laquelle ga est la transconductance de l'ampli ( Les tubistes l'appellent pente) et Ve la tension d'entrée.
L'impédance de sortie d'un tel ampli est théoriquement infinie ce qui fait que le HP perd l'amortissement de son réseau électrique propre( l'impédance de sortie d'un ampli de tension est suffisamment faible pour la considérer en première approche nulle). Le Qt du HP est égal au Qms. et la courbe de réponse dans le bas est sensiblement celle de la courbe d'impédance.
Autrement dit, il n'est pas envisageable, pour une réponse linéaire des basses fréquences, de négliger l'apport d'une boucle de correction.

[maxidcx]

La correction de réponse dans les basses fréquences, pour un HP en enceinte close ou BR est en effet un des sujet ou la contre réaction courant est utilisé.
Pour apporter une contre réaction, plutôt que d'avoir un ampli totalement en courant on pourra préférer un montage intégrant la mesure du courant dans une boucle de contre réaction positive comme proposé dans la patent Yamaha pour un adaptateur d'ampli:

une copie du document se trouve ici sur le drive:
https://drive.google.com/file/d/0B5D8h5 ... sp=sharing
en jouant sur les paramètres alpha/beta/gamma on pourra régler l’impédance négative

[tcli]

Je citais récemment les travaux de Klippel :
http://cogsys.imm.dtu.dk/nonlincomp/Klippel.pdf
Il modélise les non linéarités du HP en mesurant courant et tension.
Il en déduit un modèle et applique une correction non linéaire en amont. (voir la fin de la présentation)
Ca devrait vous intéresser.

[J-C.B]

Maxidcx,
La notion d'impédance négative n'est pas suffisante pour tout expliquer. Elle n'est qu'une image de rajout d'un générateur filtré dans une maille.
En ce qui concerne Alpha, Béta et Gamma, il sont forcément en grandes partie complexe (R+jX) sinon, ils ne résolvent pas tous les problèmes. Du moins si l'on parle d'asservissements larges bandes.

[maxidcx]

Je citais récemment les travaux de Klippel :
http://cogsys.imm.dtu.dk/nonlincomp/Klippel.pdf
Il modélise les non linéarités du HP en mesurant courant et tension.
Il en déduit un modèle et applique une correction non linéaire en amont. (voir la fin de la présentation)
Ca devrait vous intéresser.

ce document est en fait un slide-set de 103 vues et Klippel expose différentes solution pour corriger le HP.

pour débuter dans cette discussion sur le current-drive, il y a la vue 10 de la page 3 qui présente le model d'amplificateur en courant de base, tel que décrit dans le papier "Mills, Hawksford" dispo sur le drive (voir liens post 2) que je recopie ici:


Les commentaires bleus et rouges de Klippel amènent déjà quelques questions ...

[thierry38efd]

Avec un HP de grande surface et bonne sensibilité,

les déplacements pour une écoute domestique sont très très faibles.(hors subwoofer)
on pourrait négliger le Kms(x) et le BL(x).

reste la surtension mécanique.

[tcli]

pour le BL j'en suis pas si sur.
Voici des mesures qu'avait posté Kro. C'est pas du HR, mais quand même :
http://www.homecinema-fr.com/forum/post178099795.html#p178099795
Je vais peut être dire une bétise, car je n'ai plus les equations en tête, mais la non linéarité du BL est un problème qui n'est pas non plus réglé par l'asservissement des Zippy.
La solution Klippel est intéressante. Ce n'est pas vraiment un asservissement, avec toutes les contraintes de latence que cela implique si on veut utiliser un DSP.
Un partie, temps réel, modélise la disto à partir de la mesure de la tension et du courant. Un modèle des disto du HP est construit et est envoyé à un "filtre non linéaire adaptatif" qui va utiliser le modèle pour corriger la disto.
A noter que Klippel travail la dessus depuis un bout de temps :
http://patents.justia.com/patent/5438625

[pos]

J'ai pas mal de mesures de mes experimentations avec le drive en courant (avec une résistance en série) et ses effets sur la disto pour un 46cm en bass reflex (avec EQ precise pour compenser...), deux bas medium 30cm en clos (un "moderne" et un plus ancien sans shorting ring), et une compression 4"/1.5".

Hélas je ne peux visiblement plus poster d'image, l'option a disparue du formulaire ??! (peut etre que ca reviendra demain, je crois que j'ai déjà eu ce soucis)

[J-C.B]

Bonsoir Tcli,

Je vais peut être dire une bétise, car je n'ai plus les equations en tête, mais la non linéarité du BL est un problème qui n'est pas non plus réglé par l'asservissement des Zippy.

Tu as tout à fait raison, mais cela est effectué d'une manière partielle. Par contre les variations de raideur de la suspension (F(x)) sont prises en compte d'une manière quasi intégrale.
La ou le bat blesse( m'enfin pour les puristes) est que le pont de Voigt ou ses dérivés (utilisé dans la Zippy) utilise un modèle rigide de la partie purement électrique du HP. La conséquence se fait sentir dans le haut du spectre. Une fois calibré, le système est stable. Il est aussi facilement reproductible.
L'évolution vis à vis d'un système traditionnel est tel que ce n'est pas audible, même après de longues heures d'écoutes ou de spectacle (Zippy a été utilisée en sono et studio). Le procédé est satisfaisant, mais il est aussi normal de rechercher à pousser les limites à travers un nouveau dispositif.
En fait, quel que soit le mode d'amplification choisi, un asservissement de HP n'est limité que par son capteur ( ou un artifice qui lui correspond).
Il s'avère, que l'amplification en courant, permet d'asservir naturellement la partie haute reproduite par un HP (Si vous le voulez, j'en donnerais les raisons) et s'isoler des phénomènes dus à l'échauffement de la bobine. Chose intéressante, l'échauffement du noyau et la fcem due aux courants de Foucaut sont apparents dans la tension de sortie du système. Il en va de même pour la partie basse qui fait apparaitre la résonance mécanique du HP. pour s'en garantir et conserver une large bande, seul une rétroaction sélective est possible
La tension de sortie des l'ampli à transconductance est régit par l'équation de la maille électrique du HP et dans laquelle le courant contrôlé est le vecteur commun à l'ensemble des impédances électrique et miroir des impédances mécaniques et acoustiques. C'est AMHA cette équation qui est la clef de voute, du moins la base du raisonnement de ce type de système
cdt

Edit,
J'ai failli oublier, pour qu'un ampli à transconductance, sans boucle de CR motionnelle, soit viable, il est indispensable qu'il soit capable de reproduire un swing de tension important. A la résonance, le Qms supposé important, la résistance Rem reportée du circuit mécanique est élevée. De ce fait la tension de sortie de l'ampli est sensiblement égale à (Re+Rem)*i. Il en va de même dans le haut du spectre dans lequel l'impédance de l'inductance de la bobine mobile est conséquente.

[thierry38efd]

La solution Klippel est intéressante. Ce n'est pas vraiment un asservissement, avec toutes les contraintes de latence que cela implique si on veut utiliser un DSP.
Un partie, temps réel, modélise la disto à partir de la mesure de la tension et du courant. Un modèle des disto du HP est construit et est envoyé à un "filtre non linéaire adaptatif" qui va utiliser le modèle pour corriger la disto.
A noter que Klippel travail la dessus depuis un bout de temps :
http://patents.justia.com/patent/5438625

Intéressant,même si dans le détail,je ne comprends pas tout.
j'aurai au moins pris connaissance des séries Volterra.
ça a l'air quand même acrobatique,viable à petit niveau,mais quand on connait la dynamique d'un signal audio.
comme cela reste des prédictions,et que la musique est composée par l'humain,donc imprévisible...

le système Klippel semble efficace.(mais on est loin d'avoir accès en DIY).

comme les DSP de base ne permettent que des biquads (ou FIR).
Il faudrait entièrement écrire les équations...et programmer sur des SHARCs modernes.(ou un module sur ordi)
on se demande comment il modélise le HP au départ pour ses filtres adaptatifs.

Peut-être en se penchant sur le FIR adaptatif,avec des faibles Fs et 3 modules en cascade

[tcli]

J'ai ca à lire depuis une semaine :
http://www.klippel.de/uploads/media/Nonlinear_Adaptive_Controller_with_Current_Sensor_01.pdf
mais honnetement, j'ai pas eu le temps

[thierry38efd]

En fait la disto en dessus de 200/300 Hz évolue peu avec le niveau de tension.une attaque en courant classique (avec une EQ pour la remontée de Z (jLw).

en dessous de 60Hz,c'est le 14 Juillet (déplacement important--->BL(x) et raideur ).--->accéléromètre.



http://www.klippel.de/measurements/nonlinear-distortion/harmonic-distortion.html

[maxidcx]

J'ai pas mal de mesures de mes experimentations avec le drive en courant (avec une résistance en série) et ses effets sur la disto.

Salut pos, c'est exactement le sujet : partager la comprehension sur le benefice du drive en courant. Si tu peux synthesiser tes trouvaille ou les raisons qui font que le drive en courant apporte quelque chose de concret (avec eventuellement l'asservissement en plus).
L'idée de la resistance en série estexcellente pour faire des experimentations sans revoir toute la chaine. A noter.

pour le BL j'en suis pas si sur.
Voici des mesures qu'avait posté Kro. C'est pas du HR, mais quand même :
http://www.homecinema-fr.com/forum/post178099795.html#p178099795

Kro nous fournit un cliché obtenu sur le banc de mesure klippel et on voit bien que le BL et tout simplement pas lineaire, meme a faible deplacement, par contre il semble considerer que le xmax acceptable est lorsque BL est dans une fourchette de 82% du BL(0). daccord avec ca ?

A noter que Klippel travail la dessus depuis un bout de temps :
http://patents.justia.com/patent/5438625

fichier stocké sur le drive et lien mise sur le poste 2
il y a aussi un document plus recent de 48 pages (cf poste 2)
j'ai posté aussi la these de Bo pedersen (187 pages), qui propose une modelisation similaire mais plus simple a realiser avec un FIR NLMS 200 taps , voir chapitre 7.5.1

Bonsoir Tcli,
La ou le bat blesse( m'enfin pour les puristes) est que le pont de Voigt ou ses dérivés (utilisé dans la Zippy) utilise un modèle rigide de la partie purement électrique du HP. La conséquence se fait sentir dans le haut du spectre. Une fois calibré, le système est stable. Il est aussi facilement reproductible.

Bonjour JCB, tu veux parler de Le(x) qui est modelisé s'implement pour une valeur moyenne de x par la capa de pied Cte01/C30 dans ton pont de mesure ?

Il s'avère, que l'amplification en courant, permet d'asservir naturellement la partie haute reproduite par un HP (Si vous le voulez, j'en donnerais les raisons) et s'isoler des phénomènes dus à l'échauffement de la bobine.

donc une ampli en courant compense Re ET le(x) , je veux bien plus d'info pour Le(x)!

J'ai failli oublier, pour qu'un ampli à transconductance, sans boucle de CR motionnelle, soit viable, il est indispensable qu'il soit capable de reproduire un swing de tension important. A la résonance, le Qms supposé important, la résistance Rem reportée du circuit mécanique est élevée. De ce fait la tension de sortie de l'ampli est sensiblement égale à (Re+Rem)*i.

exact et c'est surement pour ca qu'on trouve des ampli de 1200W sur une JBL M2...

Il en va de même dans le haut du spectre dans lequel l'impédance de l'inductance de la bobine mobile est conséquente.

a cause de Le, mais si on est en filtrage active on fera un passe bas pour compenser ca, right ?

a ce stade je poste une figure de la patent yamaha AST US5031221 qui resume pas mal les points cidessus : l'ampli en courant compense Re et Le et les impedances aval peuvent etre compensée par leur inverse en amont :

En fait la disto en dessus de 200/300 Hz évolue peu avec le niveau de tension.une attaque en courant classique (avec une EQ pour la remontée de Z (jLw).
en dessous de 60Hz,c'est le 14 Juillet (déplacement important--->BL(x) et raideur ).--->accéléromètre.

Merci thierry38efd pour les liens Klippel, ce site regorge de bonnes choses je le mets dans le poste 2.
trés interressant la decomposition de ces distorsion. Je renvoie aussi a la lecture de la these de Bo pedersen (poste 2) qui passe en revue toutes les distorsions et leurs evolutions temps et temperature...