Очень большое распространение в последние годы получили закрытые АС, которые до недавнего времени были единственным видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом. И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС. Тем не менее закрытые АС и в настоящее время являются одной из наиболее распространенных конструкций высококачественных АС в Западной Европе и довольно широко выпускаются в США, как это было видно из таблицы:
На рис. 1 представлена типичная закрытая АС и ее электрический аналог. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω01 и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха SВ может быть найдено как:
SВ=γρSэфф 2 /V [1]
Рис. 1. Типичная закрытая акустическая система и ее электроакустический аналог.
Эффективной площадью диффузора считают 50—60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d Sэфф=0,55S=0,44d 2 . Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость SВ суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении вычисляется по формуле:
где m – масса подвижной системы головки.
Как видно из [1], упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха VЭ, имеющего упругость S. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении:
ω01=ω√(1+VЭ/V) [3]
Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной системой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении, как это видно из [2]. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС.
Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки.
Рис. 2. АЧХ закрытой системы (ЗЯ)
Неравномерность АЧХ закрытых АС в области низких частот так же, как и открытых, определяется их добротностью (рис. 2). При Q01 1 неравномерность частотной характеристики определяется только ликом на частоте ω1 относительно горизонтальной части характеристики.
Рис. 3. Зависимость неравномерности АЧХ закрытой АС от Q01.
Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на рис. 3. Как следует из рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q01=1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия:
Исследования показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8-1. В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т.е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте. Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов. Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия-расширения воздуха в оформлении.
Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в [1], составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС. Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает √1,4, так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω01’ может быть найдена как:
ω01’= ω01√((1+0,75 ∙ S/S) ∙ (1+S/S)) [5]
Как практически определить, что изотермический процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления достигнут? Процесс будет достигнут, если при добавлении внутрь оформления новой порции рыхлого звукопоглощающего материала резонансная частота закрытой АС уже не понижается. Исследования авторов показали, что заполнять внутренний объем оформления более, чем на 60%, нецелесообразно. Вместе с тем количество рыхлого звукопоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не были значительны. Следует отметить, что степень влияния активных акустических потерь в оформлении (и заполнении) на ход частотной характеристики зависит, строго говоря, не от их абсолютных значений, а от соотношения активных акустических потерь в оформлении и полных потерь в головке. Потери в головке — это собственные акустико-механические активные потери на внутреннее трение в материале головки, трение о воздух при работе, потери в виде активной составляющей сопротивления излучения и т.д., а также «вносимые» в головку потери.
Чрезмерные активные акустические потери могут быть в АС при некачественном (с акустической точки зрения) выполнении корпуса оформления, креплении головки, при чрезмерном заполнении оформления звукопоглощающим материалом, а также при чрезмерно малых внутренних объемов оформления (VЭ/V>8).
Пример . Расчитаем объем закрытой АС с нижней граничной частотой 50 Гц, имеющей головку со следующими характеристиками: f=38 Гц, Qts=0,8, Vas=60 л.
- Определяем объем оформления из формулы [3]: V=60∙10 -3 /((50/38) 2 -1)=83 л. (результат умножаем на 1000)
- Находим добротность головки в закрытом оформлении из формулы [4]: Q01=0,8√(1+60/83)=1,05. В соответствии с рис. 3 минимальная неравномерность АЧХ имеет место при Q01=1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте ω1 практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ.
Очень большое распространение в последние годы получили закрытые АС, которые до недавнего времени были единственным видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом. И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС. Тем не менее закрытые АС и в настоящее время являются одной из наиболее распространенных конструкций высококачественных АС в Западной Европе и довольно широко выпускаются в США, как это было видно из таблицы:
На рис. 1 представлена типичная закрытая АС и ее электрический аналог. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω01 и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха SВ может быть найдено как:
SВ=γρSэфф 2 /V [1]
Рис. 1. Типичная закрытая акустическая система и ее электроакустический аналог.
Эффективной площадью диффузора считают 50—60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d Sэфф=0,55S=0,44d 2 . Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость SВ суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении вычисляется по формуле:
где m – масса подвижной системы головки.
Как видно из [1], упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха VЭ, имеющего упругость S. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении:
ω01=ω√(1+VЭ/V) [3]
Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной системой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении, как это видно из [2]. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС.
Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки.
Рис. 2. АЧХ закрытой системы (ЗЯ)
Неравномерность АЧХ закрытых АС в области низких частот так же, как и открытых, определяется их добротностью (рис. 2). При Q01 1 неравномерность частотной характеристики определяется только ликом на частоте ω1 относительно горизонтальной части характеристики.
Рис. 3. Зависимость неравномерности АЧХ закрытой АС от Q01.
Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на рис. 3. Как следует из рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q01=1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия:
Исследования показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8-1. В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т.е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте. Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов. Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия-расширения воздуха в оформлении.
Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в [1], составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС. Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает √1,4, так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω01’ может быть найдена как:
ω01’= ω01√((1+0,75 ∙ S/S) ∙ (1+S/S)) [5]
Как практически определить, что изотермический процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления достигнут? Процесс будет достигнут, если при добавлении внутрь оформления новой порции рыхлого звукопоглощающего материала резонансная частота закрытой АС уже не понижается. Исследования авторов показали, что заполнять внутренний объем оформления более, чем на 60%, нецелесообразно. Вместе с тем количество рыхлого звукопоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не были значительны. Следует отметить, что степень влияния активных акустических потерь в оформлении (и заполнении) на ход частотной характеристики зависит, строго говоря, не от их абсолютных значений, а от соотношения активных акустических потерь в оформлении и полных потерь в головке. Потери в головке — это собственные акустико-механические активные потери на внутреннее трение в материале головки, трение о воздух при работе, потери в виде активной составляющей сопротивления излучения и т.д., а также «вносимые» в головку потери.
Чрезмерные активные акустические потери могут быть в АС при некачественном (с акустической точки зрения) выполнении корпуса оформления, креплении головки, при чрезмерном заполнении оформления звукопоглощающим материалом, а также при чрезмерно малых внутренних объемов оформления (VЭ/V>8).
Пример . Расчитаем объем закрытой АС с нижней граничной частотой 50 Гц, имеющей головку со следующими характеристиками: f=38 Гц, Qts=0,8, Vas=60 л.
- Определяем объем оформления из формулы [3]: V=60∙10 -3 /((50/38) 2 -1)=83 л. (результат умножаем на 1000)
- Находим добротность головки в закрытом оформлении из формулы [4]: Q01=0,8√(1+60/83)=1,05. В соответствии с рис. 3 минимальная неравномерность АЧХ имеет место при Q01=1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте ω1 практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ.
Как расчитать и изготовить звуковые колонки
| главная | скачать | связь |
| Hi-Fi колонки из автомобильных динамиков |
своего слуха
НЧ-головок
>
—>
| КОРПУСА КОЛОНОК |
| АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ Основные параметры НЧ-головок Закрытый ящик АС с фазоинвертором АС с пассивным излучателем Конструктивные особенности корпуса АС |
| РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ |
| КРОССОВЕР Фильтры постоянного входного сопротивления Фильтры всепропускающего типа Фазировка головок Радио калькуляторы |
| ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ |
| Изготовление Hi-Fi акустических систем на базе автомобильных динамиков Радио калькуляторы Программы для расчета АС Справка по WinISD Размещение колонок в комнате |
| ИНФО |
| Особенности восприятия звука человеком Помощь WinISD на русском Динамические головки Требования к помещениям для прослушивания |
ЗАКРЫТЫЙ ЯЩИК
|
 Закрытый ящик эквивалентен акустическому ФВЧ второго порядка (крутизна спада в области НЧ — 12 дБ/окт., из них 6дБ/окт. даёт корпус и 6 дБ/окт. – сама НЧ-головка). Потенциал динамической головки в области НЧ используется только на 25…40%. Упругость воздуха, заключённого в закрытом ящике, повышает основную резонансную частоту головки тем больше, чем больше диаметр диффузора головки и меньше объём ящика. Поэтому в таком оформлении желательно использовать головки с диаметром диффузора до 200 мм. Объём закрытого ящика, мало сдвигающего частоту основного резонанса, можно рассчитать по формуле: (18)  Где DД — эффективный диаметр диффузора, см (без гофра). Полная добротность НЧ-головок (с учётом сопротивления индуктивности кроссовера, соединительного кабеля и выходного сопротивления УМЗЧ), предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8…1,0. В противном случае она будет раздемпфированной. Минимальная неравномерность АЧХ закрытой АС имеет место при добротности QTC = 1 / √2≈0,71. Для закрытой АС небольшого объёма (VAS / V > 4), т.е. «компрессионного» типа, частота резонанса головки fS должна быть всегда ниже резонанса в системе fC не менее чем в 2 раза; полная добротность QTS также должна быть как минимум в 2 раза ниже добротности головки в системе QTC . При этом QTC достигает относительно большого значения (QTC = 1…2). Преимущество: более низкая граничная частота на низших частотах. Недостаток: ухудшение переходной характеристики (склонность к колебаниям) и возникающее «подчёркивание» звуков середины диапазона низких частот вследствие небольшого демпфирования. Довольно часто для получения глубокого баса и выравнивания характеристики используют 2 НЧ-головки, расположенные рядом. Две однотипные головки эквивалентны одной с диаметром в 1,4 раза большим и гибкостью вдвое меньшей. При параллельном соединении, благодаря взаимной связи, резонансные частоты обоих головок сливаются в одну: При последовательном соединении этого не происходит, что способствует расширению области низших частот. На самых низших частотах отдача двух головок почти удваивается. При этом звуковое добавление (пропорционально квадрату площади диффузоров) возрастает в 4 раза. Иногда для уменьшения чётных гармоник одну из спаренных головок устанавливают тыльной стороной наружу. При этом электрически их включают в противофазе. Образование чётных гармоник связано с захождением звуковой катушки в область пониженной однородности магнитной индукции в двух крайних точках её траектории. Включение головок, таким образом, в значительной степени компенсирует чётные гармоники. Кроме того, установка головок одна над другой в вертикальной плоскости делает более острую направленность в вертикальной плоскости, что способствует минимизации отражения от пола и потолка. Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический, а с заполнением – изотермический, что эквивалентно увеличению объема. Добавляя звукопоглощающий материал, определяют резонансную частоту. Как только частота резонанса перестаёт снижаться, добавление материала прекращают. Следует иметь в виду, что заполнять объём оформления можно до 60 %, выше нецелесообразно. Заполнение закрытого корпуса звукопоглощающим материалом:
Звукопоглощающий материал должен быть пористым, например, вата (хлопчатобумажная, минеральная, стеклянная, капроновая), листовой поролон (пенополиуретан, при толщине 10 мм поглощение звука до 60%), войлок, дакрон (синтепон) малой плотности и т.п. Толщина звукопоглощающего покрытия в виде матов, наносимым на внутренние поверхности, кроме панели с головками, должна быть не менее 20…30 мм. Хорошие результаты даёт подвешивание звукопоглотителя в виде валика или шара в центре ящика. Многие любители музыки считают, что закрытые АС лучше чем ФИ передают характер звучания акустических музыкальных инструментов в низкочастотном спектре. Бесспорным достоинством закрытых систем является простота их конструкции, не требуют настройки, по сравнению ФИ-систем имеет меньшие фазовые и переходные искажения, имеют меньшую амплитуду смещения подвижной системы головки в области инфранизких частот. Для достаточно хорошего воспроизведения низших частот закрытые АС требуют большого объёма оформления, что приводит к большим габаритам и весу. Например, определим объём закрытого оформления для головки 35ГДН-1-4, имеющий частоту основного резонанса fs = 33 Гц, полную добротность QTS = 0.503 и эквивалентный объём VAS = 50.6 л. Для получения оптимального значения QTC = 0.71 получим из (16): В значительной степени этого недостатка можно избежать с АС с фазоинвертором. |
версия для печати
