Del 3 – Magnetsystemet

För att få fram vilket magnetsystem som skall väljas krävs omfattande mätningar av dyr utrustning och material. Tack och lov, för datorn, det kostar inte mycket i dessa tider. Ett bra simuleringsprogram, lite magnetdata, tester och lite annat är allt som behövs.

Vanligaste konstruktionen

Den vanligaste magnetuppställningen, som många bland hembyggare och faktiskt även förekommer hos fabriksbyggda diskantelement, är den uppställning där magneterna är placerad på var sida om membranet, utan sammanbindande magnetledare av stål eller spalt med stålpoler. Dvs uppställningen består enbart av magneter. Konstruktionen är helt felaktig då den saknar ett slutet system med en spalt som avslutning. Magnetflödets styrka är definitivt inte tillfredställande. Den enda fördel är att flödet blir någorlunda linjärt i spalten.

Simuleringen fick, som väntat, fram ett dåligt resultat. Spalten har ett väldigt svagt flöde. Kraftfältet sträcker sig dessutom långt framför och bakom systemet. Ett annat problem med den vanliga placeringen, av membranet mitt i magneterna, är att ljudet strålar ut mellan två parrarella väggar.
Det finns inte mycket mer att orda om saken: Detta system är helt värdelöst.

Bästa konstruktionen

Den bästa magnetsystemkonstruktionen för bandelement är, utan tvekan, det slutna systemet med spalt, där spaltens ytor är av stål. Magnetmassan skall vara en del av det slutna systemet.

Simuleringen gav ett resultat med åtskilligt starkare flöde i spalten än det systemlösa ”systemet”. Tyvärr minskade också linjariteten. Det går att göra konstruktionen linjärt med diverse komplicerade, men inte oöverkommliga, trix.

Magnetmaterial

I huvudsak finns tre sorters magneter: Ferrit, Alnico och Neodym.
Ferrit
Ferritmagneten eller bariumferrit som den egentligen heter är den vanligaste magneten på marknaden pga av lågt pris i förhållande till styrkan. Magnetmaterialet är inbakat i en keram och därför enkel att få fram i olika former. Magnetfältet är har samma styrka oavsett i vilken riktning nor-syd ligger. En fördel med ferrit är att styrkan inte avtar så dramatiskt med avståndet till magneten.
Alnico
Alnico är en äldre typ av magnet som används fortfarande. Alnico är känslig för hur den är magnetiserad. Starkast är den om nord-syd ligger på längden. Vidare är Alnico känsligt för andra magnetiska fält. Vid samma storlek som ferrit är styrkan densamma. Alnico är betydligt starkare i längre format. Magnettypen är numera starkt underskattad som visas av att ett av världens bästa diskanthögtalare, TAD, använder Alnico.

TAD PT-R9 använder Alnico

Neodym
Neodym är en av de starkaste magneter som finns att köpa. Den är så stark att den inte går lyfta av från en ex.vis plåt med fingerstyrka. Större magnetstycken kan bryta av fingrar om man är oförsiktig när man närmar sig ex.vis en plåt. Magnettypen är ca 80 ggr starkare än ferrit vid kontakt med stål. Neodym’s dragstyrka avtar dock snabbt med avståndet. Neodym-magneter avmagnetiseras vid relativt låg värme. Vissa typer börjar avmagnetiseringen redan vid 80 grader. Neodym passar bäst i talspolediskanter för att minska vikten på elementet. Det går att få samma och t.o.m högre fältstyrka med exempelvis Alnico men då krävs betydligt större magnetmassa.

Summering material
I ett magnetsystem, med stålpoler mm, skiljer inte magnetfältets genomsnittliga styrka så mycket mellan magnettyperna som man kan tro när spalten närmar sig 10 mm. Däremot skiljer fältets linjäritet avsevärt mellan magneterna. Vid en viss given magnetmassa, är Neodym-magneternas magnetfält i en spalt så olinjärt att det är direkt olämpligt att använda till en banddiskant, utan diverse trix. Det beror på att magnetens enorma styrka också håller tillbaka det egna magnetfältet till nära stålpolerna. Det blir med andra ord inte mycket magnetism över till mitten av spalten.
Alnicomagneten kan uppvisa samma förhållande om den är tillräckligt lång. Som tidigare nämnts måste magneten placeras i ett slutet system brutet endast av en spalt med poler av stål. Den konstruktionen är AVSEVÄRT starkare än samma magneter stående ensamma.
Spaltens fältstyrka kan fås lika hög oberoende av magnettyp. Det behövs bara större magnetmassa av den svagare typen. Dock finns en bortre gräns för när styrkan slutar öka vid mer magnetmassa.
En liter Neodym kostar runt 10.000kr (2004). En liter Ferrit kostar runt 2250kr (2004). Moms tillkommer.
Om man betänker att styrkan, i en välkonstruerad spalt med linjärt magnetfält, uppgår till 0,4 Tesla för Ferritmagneter och 0,6 Tesla för samma mängd Neodymmagneter, hamnar man i ett annat läge i valet av magnettyp. Det räcker med att lägga till lite magnetmassa till Ferritsystemet för att vara uppe i samma styrka som Neodymsystemet. Dessutom är det betydligt lättare att få ett linjärt fält med Ferrit. Om man dock inte skyr några kostnader för att vinna den där sista Tesladecimalen är det inte fel att använda Neodym. Eller om man vänder på det och vill ha en diskant som väger lite mindre kan man också välja Neodym. Men tänk på att det är avsevärt svårare att trixa fram ett linjärt magnetfält med Neodym.
Alnicomagneten är annorlunda än de andra. Den måste användas med polerna i längsled. En tillräckligt lång Alnicomagnet krökt från ena sidan till den andra i en banddiskant kan uppvisa samma eller tom högre fältstyrka än en Neodymmagnet. Flera främst äldre element av alla slag använder sig av U-formade Alnicomagneter. JBL är ett av märkena, Gamma är ett annat osv. TAD använder fortfarande, och med framgång Alnico. Alnicomagneten har ett föga känd nackdel, den kan avmagnetiseras i kontakt med andra magnetfält. Det är därför Alnico-försedda element har så väl inkappslade magneter.
Det finns företag som säljer u-formade Alnicomagneter med måtten: Höjd ca 80mm bredd ca 50mm djup ca 40mm, magnetens tjocklek ligger runt 20mm och priset är omkring 1500kr inkl.moms (2004).

Magnetstyrka för bandelement

En banddiskant behöver egentligen inte vara försedd med ett magnetflöde som är lika högt som en talspolediskant för att uppnå liknande mål. För det första befinner sig hela den elektriskt ledande rörliga massan i magnetfältet och för det andra väger den rörliga massan minst 10ggr mindre för en banddiskant än för talspolediskanter med minsta massan.
Magnetflödet i en talspolediskant ligger kanske mellan 1 till 2 Tesla. Detta sammantaget skulle rent teoretiskt betyda att en banddiskant kan klara sig med 0,1 till 0,3 Tesla. Nu är det inte riktigt så enkelt då en hel hög med andra faktorer skall räknas in:

Uppnå en någorlunda hög verkningsgrad
Hålla kvar bandet vid kraftiga svängningar
Motverka uppbrytning av bandet

För att motsvara en talspolediskant som Focal TC 120 TdX2 med 1,75 Tesla måste en banddiskant kanske ligga uppemot 0,6 – 0,7 Tesla. För övrigt måste sägas att Focal’s 1,75 Tesla är en mycket hög fältstyrka. Få element kan visa upp fält med den styrkan

Ett bra riktmärke är 0,5 Tesla med linjärt fält. Flera kända banddiskanter ligger runt det värdet. Vill man vara riktigt säker kan man försöka närma sig 0,7 Tesla med linjärt fält. Det är dock mycket svårt att uppnå. Ett krav är antagligen en spaltbredd på max 10mm.
Som jämförelse kan nämnas att två parallellmonterade magneter med 20mm spalt i ett icke slutet system och utan stålpoler i spalten ligger mellan 0,1 till 0,2 Tesla som genomsnitt.

Designa mangetsystemet

Det är inte lätt att välja struktur på magnetsystemet då man kan kombinera magneter och stålpoler i nästan oändligt antal kombinationer.

För att komma så nära det bästa systemet som möjligt följer här en hel hop av simuleringar av olika system. Av dessa kommer det bästa att väljas med hänsyn till högsta flöde, minsta variation i förhållande till pris och realiseringsmöjlighet.

I simuleringarna används:

Spaltbredd på 10mm
Membran av en bredd på 8mm (1mm från polkanterna). Kan variera om
konstruktionen inte tillåter 8mm med spaltbredd 10mm.

Magnetstorleken är vald till:

Längd 80mm (syns ej)

Höjd 40mm
Bredd 20mm
Nord- Sydpolerna finns på 40mm måttet
Magneterna kan vara stackade (flera små ihopsatta till en större).

Systemets längd (höjd framifrån sett) beräknas utifrån 80mm måttet. Längden kommer inte att synas på simuleringsbilderna men finns med i dess beräkningar.
Resultatet presenteras så kortfattat som möjligt med länkar till simuleringsbilder.

Magneterna kan i vissa system läggas ner, höjden och bredden kommer dock ändå att vara detsamma. Om exempelvis man lägger magneten plant så att 40 måttet blir bredd och 20 måttet blir längd kommer 40 måttet ändå att kallas för höjd osv.

I vissa fall kommer andra mått att användas än ovan för att simulera magnetsystem med struktur där de ovan tänkta magneterna inte går att använda.

Lite om simuleringsresultaten:
Simuleringar har visat att de skillnader som finns består även om storleken på systemen ändras. Eftersom flödet då förändras måste ny simulering göras för att få fram rätt värde.

Enligt praktiska tester bör bandet i en banddiskant arbeta i ett minsta flöde enligt formel:

T = m x fk
m = rörlig massa (ej luft) i gram.
fk = flödeskonstanten = min 40
T = Tesla

Det optimala värdet för fk är 50. För att vara på säkra sidan välj högre.
Exempel. Ett alu-membran med måttet 60x8x0.009mm väger 0.011 gram.
För att erhålla ett optimalt flöde: 0.011 x 50 = 0.55 Tesla. Elementet som exemplet är hämtat från har 0.60 Tesla (Fountek JP 3.0).
Flera DIY-element har fk-värden långt under minimum och för stora variationer i magnetfältet.

Variationen i flödesfältet får absolut inte vara högre än 25%. Det optimala värdet är från högst 5%. För att vara säker håll så nära 0% som möjligt.
En variation på 35% är precis hörbart vid höga ljudnivåer. Förnimbart kan vara lägre än så. Testen har skett med veckade membran. Plana membran är mer exakta men avsevärt känsligare för olinjärt magnetfält och låga magnetstyrkor.
De helt perfekta värdena, för att reproducera en exakt signal, är oändligt högt flöde och 0% variation med ett helt plant membran. Eftersträva alltså högsta möjliga flöde men aldrig större variation än 5%.

En tidig upptäckt vid både simulering och test är att magneter utan stålpoler i jämförelse med magneter med stålpoler ger en avsevärd flödeshöjning i systemet med stålpoler. Om man dessutom låter magnetsystemet vara slutet med endast en liten splat där membranet skall flyta ökar styrkan ytterligare ordentligt mot föregående.
Om man då betänker att en hel del av DIY-elementen endast är försedda med magneter helt utan stålpoler kan man förstå att förbättringspotentialen är avsevärd. En fördel man får utan stålpoler är att flödet blir jämnare med stora (över 10mm) magnetgap.

Magnetsystem med stålpol baktill uppnår man jämnare magnetfält om den bakre stålpolen är tillräckligt tjock. En bra tumregel är att uppnå samma tvärsnittsarea som magneten. Detta gäller inte alltid om specialarrangemang upprättats kring spalten.

Stålpolerna som bildar spalten

Typbeteckning:

Första tecknet magnettyp

F= Feerit
N= Neodyn
A= Alnico

Andra tecknet systemform

R = Rak-formad, polerna möts ej i en slinga
C= C-formad, nord- sydpol möts i en slinga

Tredje tecknet poltyp

U= Utan stålpoler
B= Stålpol bak
E= Stålpol med spalt fram utan brygga
F= Stålpol med spalt fram med brygga

Fjärde tecknet specialutförande

M= Magneten är i ett stycke
P= spalten specialformade

Kommentar

Våg = 40-måttet ligger ner
Vert = 40-måttet står upp
Annat= Annat mått på magneten

Rött är bäst och rödfärga cell längst till höger är vinnaren

Typ	Max Tesla	Min Tesla	Variation %	Analys	Diagr
Låg simulering
01 FRU-Våg	0.174	0.172	1.15
02 FRB-Våg	0.256	0.242	5.47
03 FCF-Våg	0.625	0.479	23.36
04 FCF-Våg	0.541	0.512	5.36
05 FCF-Våg	0.543	0.516	4.97
Djup simulering
06 FRU-Vert	0.392	0.321	18.11
07 FRB-Vert	0.458	0.385	15.94
08 FCF-Vert	0.575	0.405	29.57
09 FCF-Vert	0.632	0.456	27.85
10 FCF-Vert	0.483	0.456	5.59
11 FCE-Vert	0.451	0.431	4.43
12 FCF-Vert	0.668	0.442	33.83
13 FCFP-Vert	0.517	0.517	0
14 FCFP-Vert	0.517	0.417	19.34
15 FCFP-Vert	0.462	0.343	25.76
16 FCFP-Vert	0.551	0.500	9.26
Verkligt element.
Real 1	0.563	0.247	56.13

Bästa magnetsystemet

Som vi se i uppställningen i ovanstående stycke är elementtyp ”13 FCFP-Vert” utan jämförelse bästa konstruktionen. Jag lägger in den här nedan i större format. På marknaden finns det ingen banddiskant som har ett sådant magnetsystem.

Magnetgapet med bandet i närbild:

Fabrikstillverkade bandelement är inte så bra som de skulle kunna vara om de konstruerat magnetsystemet på rätt sätt. Längst ner i listan här ovan ser vi en simulerad känt bandelementmärke med en mycket stor avvikelse. Så ser det ut för nästan alla bandelement på marknaden, möjligen med undantag för de allra dyraste. När avvikelsen i magnetfältet är så stort som det är i dessa banddiskanter uppstå onödig distorsion. Det är därför de bättre kondiskanterna har lägre uppmätt distorsion än banddiskanter.

I vårt bästa simulerade element ser vi att ”Max Tesla” är högt och och avvikelsen inom magnetgapets arbetsområde är 0, vilket förebygger distorsion avsevärt i förhållande till de med olinjärt magnetflöde. Flödet i diagrammet visar en nästan så gott som rak linje.