De nieuwste LS50-luidsprekers van KEF zijn uitgerust met een ‘metamateriaal’. Volgens de Britse fabrikant die altijd zwaar in R&D investeert is het een echte doorbraak op vlak van speakerdesign. Maar wat is het precies?

Zoals je in de voorbije maanden kon lezen in de reviews van de gloednieuwe LS50 Meta en de actieve LS50 Wireless II, is een van de uithangborden bij die twee luidsprekermodellen het gebruik van een nieuw materiaal. Meer bepaald, een metamateriaal. Vandaar ook de ‘Meta’-toevoeging bij de verbeterde versie van de zeer populaire LS50. Dat metamateriaal wordt toegepast in de tweeterconstructie in de kern van de Uni-Q-driver. Deze coaxiale driver met een tweeter die los ophangt in het midden van de midrange/woofer-conus krijgt daarmee opnieuw een upgrade. Uni-Q upgraden doet KEF al lang; als onze telling klopt is de met metamateriaal uitgevoerde Uni-Q reeds de twaalfde generatie van deze driver.  

Zoals collega Max terecht opmerkt in zijn review van de LS50 Meta bekomt KEF met “de ogenschijnlijk eenvoudige, maar stiekem behoorlijk geniale vinding” een indrukwekkend resultaat. Het Britse merk is – zo ver we kunnen vaststellen – de allereerste om deze hightech toe te passen. Maar hoe werkt het juist en wat is metamateriaal juist?

Meta-wat?

Metamaterialen als in ‘type materialen’ zijn natuurlijk niet een uitvinding van KEF. Het is een brede verzamelterm voor heel uitlopende kunstmatige materialen met eigenschappen die je in de natuur zelden vindt. Ze zijn allemaal door de mens gemaakt en vaak een samenstelling van verschillende andere materialen. Metalen en plastics worden bijvoorbeeld soms gemengd om bouwstenen te creëren waaruit zo’n metamateriaal samengesteld wordt. Een metamateriaal is ook niet lukraak opgebouwd. Sterk vergroot tonen ze een heel regelmatige opbouw of structuur, zeker vergeleken met de meeste natuurlijke materialen.

Metamaterialen kunnen allerlei eigenschappen bezitten, maar de rode draad bij deze type stoffen is dat ze elektromagnetische golven beïnvloeden. Ze kunnen bijvoorbeeld licht breken of geluid sterk absorberen. Dat klinkt misschien niet zo ongewoon allemaal, maar de eigenschappen van metamaterialen vind je niet terug in de natuur. Dat maakt dat ze een belangrijke rol spelen in allerlei baanbrekende onderzoeken naar totaal nieuwe toepassingen. Onderzoekers op vele terreinen zijn er heel druk mee bezig. Je zou kunnen zeggen dat het een wetenschappelijke hype is, zonder daarmee de impact te willen minimaliseren.

Metamaterialen effenen bijvoorbeeld het pad naar chips die werken met licht in plaats van elektrische stromen. Daar wordt naarstig aan gewerkt, want CMOS-chips lopen tegen hun limieten aan en en dergelijke fotonische chips kunnen potentieel veel meer simultane berekeningen uitvoeren. Met bepaalde metamaterialen kunnen superlenzen gebouwd worden, zonder de optische fouten die voorkomen in lenzen uit conventioneel glas en die zorgen voor diffractie. Het meest tot de verbeelding sprekende toepassing van een metamateriaal? Een invisibility cloak, een ‘shield’ dat licht rond een object buigt zodat het niet langer zichtbaar is. Klinkt fantasierijk? Op papier kan het en experimenten doen uitschijnen dat het wel eens haalbaar kan zijn.

Weg geluid

Er zijn dus veel soorten metamaterialen, wat KEF toepast in zijn nieuwste speakers (en we durven wedden: toekomstige) is een akoestisch metamateriaal dat heel sterk is in het absorberen van geluid. Meer dan 90 procent van de akoestische energie wordt zo geabsorbeerd. En dat heel gericht, met een hoge Q-waarde. Dat wil zeggen dat als er een bepaalde frequentie wordt gedempt er weinig impact is op de naastliggende frequenties. Het materiaal werkt echt als een scherpschutter, zou je kunnen stellen.

De technische eigenschappen van het metamateriaal staan uitgebreid beschreven in een paper dat KEF-ontwerper Sebastien Degraeve en Head of Research & Development Jack-Oclee Brown vorig jaar bij de Audio Engineering Society indiende. Ze leggen daarin uit waarom een metamateriaal een zeer interessante manier is om ongewenste geluid dat uit de achterkant van een tweeter komt te dempen. Deze geluidsgolven aanpakken moet wel, want ze vertroebelen het beeld en veroorzaken mogelijk resonantie in de luidsprekerkast.

Traditioneel werd dit fenomeen aangepakt op andere manieren, bijvoorbeeld met dempingsmateriaal binnen de luidsprekerkast (maar dat kan weer negatieve effecten hebben op andere vlakken, zoals laagweergave) of een omgekeerde hoornconstructie (een hoorn versterkt in één richting enorm, maar dempt net heel sterk in de andere). Het nadeel van een hoorn is echter dat het voor het beste resultaat wel heel lang zou moeten zijn. “Om hetzelfde effect te krijgen als met het metamateriaal, zouden we een hoorn van een halve meter lang in de kast moeten proppen”, merkt Sebastien Degraeve zo op.

Sommige ontwerpers verkiezen dan weer de tweeter vrij in de lucht op te hangen of achteraan open te laten. In een ver verleden heeft KEF dat zelf ook gedaan, wat maar aangeeft dat het Britse merk al langer met deze problematiek bezig is. Nog een piste is een zogenaamde Helmholtz-resonator, een buis binnen de behuizing waarmee een ongewenste frequentie wordt weggewerkt. Nadeel hiermee is dat zo’n resonator enkel inwerkt op een bepaalde frequentie – en het is te omvangrijk om er veel in een luidsprekerkast in te bouwen. Kortom, in de industrie zijn er al veel oplossingen opgedoken. Sommige werken behoorlijk goed. Maar allemaal hebben ze ook wel hun nadelen. Kan een nieuw materiaal dan soelaas brengen?

Verdwijnt in het labyrint

“OK, ze hebben dus een nieuw dempingsmateriaal?”. Als je het heel kort door de bocht wil stellen, dan klopt die uitspraak inderdaad. Maar het metamateriaal in de LS50 Meta is niet zomaar een vervanger voor glaswol of de gels die sommige fabrikanten gebruiken om hun kasten trillingvrij te maken. Het is toch wel iets complexer – maar daarom ook net cooler.

Heel intrigerend is dat het metamateriaal van KEF door zijn samenstelling – maar ook door een uitgekiende vorm – heel gericht specifieke frequenties die uit de achterkant van de tweeter komen kan absorberen. De KEF-ingenieurs kunnen ook precies de absorptie ‘tunen’, dus heel trefzeker de frequenties aanpakken die ongewenst zijn. En dat heel efficient, merkt Degrave op: “Deze absorbeerder is 99 procent effectief vanaf 620 Hz”.

Het resultaat is een schijf met een patroon dat er een beetje uitziet als een labyrint, met dunne stroken (KEF noemt ze tubes) die speciale contouren kregen. De schijf werd samen met de Acoustic Metamaterials Group in Hong Kong ontwikkeld. Dat bedrijf zocht mee uit welk patroon en welke dikte van tubes het beste zou werken, wat uiteraard een hele onderneming is. Maar door die zoektocht konden ze wel een vorm creëren die exact de ongewenste geluidsgolven tegenwerkt.

De schijf van metamateriaal wordt ten slotte aangebracht aan het uiteinde van een omgekeerde hoorn op de achterkant van de tweeter in de Uni-Q-driver. Voor allerlei praktische redenen kan dat niet zomaar meteen op de achterkant van de tweeter, onder meer omdat daar ook het motor/magneetsysteem zit. Het is dus echt niet zo groot als je zou denken wanneer je er foto’s van ziet.

Volgens Jack Oclee-Brown is de schijf met metamateriaal als het ware “een akoestisch zwart gat. Er gaat geluid in, maar er komt niets meer uit”. In onderstaande video vertelt hij er meer over.