Расчет акустики открытого типа

Открытый корпус. Акустическое оформление

Открытым акустическим оформлением (ОЯ) головки называется такое ее оформление, при котором задняя сторона звукоизлучающей поверхности диффузора головки не изолирована акустически от передней. В качестве открытого оформления применяется ящик, обычно имеющий форму параллелепипеда, с перфорированной задней стенкой или с полным ее отсутствием.

Самый распространенный вид открытого акустического оформления — ящик, у которого задняя стенка имеет ряд сквозных отверстий или же полностью отсутствует. Головка устанавливается обычно на передней панели ящика. Его внутренний объем, как правило, используется для размещения деталей электрической схемы, например радиоприемника. Выносные АС в виде открытых корпусов применяются реже. Акустическое действие открытого оформления подобно действию экрана. Наибольшее влияние на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывает передняя стенка, т.е. та, на которой крепится головка. Вопреки довольно распространенному мнению боковые стенки открытого оформления влияют на характеристику открытого оформления мало. Поэтому не рекомендуется делать открытое оформление глубоким, а надо стараться по возможности увеличивать переднюю панель оформления. На рис. 1 показаны различные частотные характеристики АС с открытым оформлением в зависимости от его глубины. Обычно открытое оформление выполняют такой глубины, чтобы головка помещалась в нем с некоторым технологическим запасом (20% от глубины головки). При этом «вклад» баковых стенок в суммарное звуковое давление открытого корпуса составляет 1-3 дБ.

Рис. 1. АЧХ динамика в открытом оформлении, с разной глубиной боковых стенок (h).

Однако было установлено, что наличие боковых стенок создает эффект снижения резонансной частоты открытого оформления с увеличением его глубины, которое происходит за счет присоединения части массы воздуха внутри оформления к массе подвижной системы головки. Резонансная частота в этом случае:

а глубина оформления для получения нужной резонансной частоты:

h=((f₀ 2 /f₀₂ 2 )–1) ∙ (m₀/ρ ∙ S_эфф) [ 2]

Конечно, если сделать оформление очень глубоким, то оно может действовать как труба, резонирующая на ряде частот, тем более низких, чем больше длина трубы. Естественно, что это не­желательно, поскольку такие резонансы являются причиной появления пиков и провалов на частотной характеристике АС.

Размеры передней панели, как уже говорилось, желательно иметь как можно больше. Ограничением здесь являются только соображения удобства размещения и пользования. Что касается места установки головки на передней панели, то рекомендации тут такие же, как при плоском экране.

Площадь передней панели открытого акустического оформления с учетом влияния глубины оформления h может быть найдена как:

S = 0,125c 2 /(f_гр.н. 2 ∙ φ 2 (Q)), [3]

где f₀₂ определяется из [1].

Имеется еще один элемент открытого оформления, который может влиять на работу открытой АС. Это задняя стенка оформления, которая служит для защиты элементов схемы радиоустройства. Она должна быть по крайней мере такой, чтобы не ухудшать акустические параметры системы. На рис. 2 приведены частотные характеристики АС с открытыми корпусами с задними стенками, выполненными из различных материалов (с разной их толщиной). Как видно, материал и толщина задней стенки сильно влияют на частотную характеристику открытой системы. Акустические параметры открытой АС зависят также и от размеров и числа перфораций (отверстий) в задней стенке.

На рис. 4 приведены частотные характеристики АС в ящиках с различным числом перфораций в поверхности задних стенок. Для оценки влияния перфораций вводится термин — степень перфорированности задней стенки, А₀/А — это отношение общей площади равномерно распределенных отверстий А₀ к площади задней стенки А. Степень перфорированности задней стенки должна составлять не менее 0,1 для оформлений с объемом оформления 5 л и 0,15-0,20 для оформлений с объемом менее 5 л.

Конфигурация оформления оказывает большое влияние на форму частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных пиков и провалов при неудачной конфигурации. Это хорошо видно из рассмотрения графиков на рис. 5, где приведены частотные характеристики для разных конфигураций оформления: сферического (шара), куба, усеченной пирамиды, параллелепипеда. Наиболее благоприятная форма — сфера. Приведенные характеристики следует иметь в виду при выборе конфигурации оформления, хотя из конструктивных соображений редко можно применить благоприятную форму из числа приведенных на рис. 5, за исключением параллелепипеда. Из эстетических соображений размеры оформления в виде параллелепипеда часто выбирают так, чтобы размеры лицевой панели (длина и ширина) и глубины относились как.

Рис. 5. АЧХ головки в корпусах различной формы, точка – расположение динамика.

Обычно экраны выполняют меньших размеров, чем рекомендовано по вышеприведенным формулам. Тогда на нижней граничной частоте следует ожидать спада АЧХ:

Пример расчета . Требуется рассчитать размеры передней панели открытого оформления глубиной h=80 мм для головки 0,5ГД-37 (см. предыдущий пример).

1. Из формулы f_гр=1,4с(∏/d) находим граничную частоту: f_гр.в.=(1,4 ∙ 343) / (3,14 ∙ 0,08)=1920 Гц.
2. По [1] определяем резонансную частоту головки в открытом оформлении с учетом его глубины: f₀₂=315 / √ (1+(1,3∙0,08∙3,14∙(0,04) 2 /(1,2∙10 -3 )) Гц.
3. По графику на рис. 3 находим нижнюю граничную частоту воспроизводимого диапазона при Q=2,3; f_гр.в.≈260 Гц.
4. По графику на рис. 1 находим разность уровней пик-провал: N=1,0 дБ.
5. φ(Q)≈Q=2,3.
6. По формуле [2] определяем площадь передней панели оформления: S=(0,125 ∙ 343 2 ) / (260 2 ∙ 2,3 2 )=0,041 м 2 . При спаде на частоте f_гр.н. равном 6 дБ, по формуле [5] находим, что S’=0,02 м 2 .
7. Выбираем размер передней панели равным 0,17х0,12 м 2 .

Источник

Аудиофилькина грамота: ликбез по акустическому оформлению

Предыдущая статья о закрытом ящике продемонстрировала, что у некоторых читателей возникают вопросы относительно отличий между различными типами акустического оформления. Люди задавались вопросом о том, что вообще такое закрытый ящик, в чем его отличие от фазоинверторного оформления и от прочих типов. Большинство участников опроса ответили, что при покупке АС в принципе не будут интересоваться акустическим оформлением.

Полагаю, будет не лишним сконцентрировать внимание читателей на основных сильных и слабых сторонах различных типов акустического оформления и провести небольшой ликбез на эту тему. Я не стану в этот раз касаться слишком редких и экзотических типов, но постараюсь сравнительно подробно описать достоинства и недостатки наиболее распространенных. Часть поста, посвященная ЗЯ — ответ на вопрос, заданный lair, которому было непонятно, почему «Аудиофилы и притязательные богачи избалованы более изощренными решениями, а средний класс не готов поступиться объемом небольших квартир».

Коротко о зависимости звука от корпуса АС

Акустическое оформление корпуса оказывает влияние главным образом на АЧХ, а также на некоторые другие параметры. В зависимости от расчетов и выбранного оформления, такое влияние может улучшать или ухудшать верность воспроизведения. Любое решение в акустике является своеобразным компромиссом между практичностью (и нередко эстетичностью формы) и инженерными решениями, которые стремятся повысить верность воспроизведения. Проблема верности воспроизведения упирается в законы физики её ограничивающие, акустическое оформление — это попытка инженеров уменьшить влияние факторов ухудшающих верность воспроизведения, при этом получить приемлемые для конечного пользователя эксплуатационные свойства.

Полагаю, большинству читателей известно, что без оформления динамики не будут звучать правильно — возникнет, т.н. акустическое короткое замыкание. Воспроизводимая динамиком волна давления с длиной, соизмеримой с размерами диффузора, компенсируется за счет разрежения воздуха с тыльной стороны диффузора.

Идеальная акустическая система — это бесконечная стена. Если не затрагивать область идеального, то путь от центра внешней стороны диффузора до его центра тыльной стороны диффузора должен быть больше половины максимальной длины излучаемой звуковой волны. Особенно много проблем здесь возникает с НЧ. Так, при 20 Гц (нижний порог восприятия) длина волны составляет немногим более 17 метров. Естественно, что АС в виде стены такого размера несколько великовата для коммерческой серии. По этой причине стен не строят, а предпочитают ящики, которые полностью не решают проблем, но способны в значительной степени их компенсировать.

Проблемы существуют не только с акустическим коротким замыканием, но также с другими свойствами АС. Например, любой динамик имеет резонансную частоту, ниже которой происходит крутой завал АЧХ, ок. 12 дБ на октаву. При работе на резонансной частоте возникает множество гармонических искажений. Решить проблему завала АЧХ и нелинейных искажений слишком резким снижением резонансной частоты нельзя, так как огромная амплитуда резонансных колебаний порвёт диффузор.

Известно, что амплитуда колебаний диффузора обратно пропорциональна квадрату частоты, т.е. при равном звуковом давлении на 50 Гц амплитуда будет составлять 4 мм, а на 25 Гц -16 мм. Таким образом, чем больше диффузор, тем ниже может быть резонансная частота с относительно безопасными для динамика колебаниями. Иными словами, чем ниже резонансная частота динамика, тем лучше.

Резонансы корпуса и форма

Все корпуса колонок представляют собой объемные резонаторы (будь то открытый ящик, ФИ, ЗЯ или лабиринт), у которых огромное количество собственных резонансов. Это хорошо видно по формуле расчета резонансов для закрытого ящика:

где a, b и l — стороны корпуса резонатора, а m, n и g — целые числа

Резонансы определяются стоячими волнами, возникающими внутри корпуса, что существенно влияет на АЧХ, как правило, не лучшим образом. Чтобы их убрать используют всё те же демпферы, которые снижают добротность резонансов, однако полностью их не убирают.

Можно говорить о том, что резонансы напрямую зависят от формы корпуса, по иному, от соотношения сторон. Распространенная сегодня форма в виде столба прямоугольного сечения является крайне неудачной, если говорить о резонансах корпуса. А форма куба, напротив, позволяет размазать резонансы по всей АЧХ и сделать менее заметными. Для ЗЯ и ФИ также иногда используется сферическая форма корпуса, которая препятствует образованию стоячих волн, но также не способна полностью их устранить.

Пара слов об открытом ящике

Несмотря на то, что сегодня это оформление тяжело встретить в серийных устройствах, у него есть одно уникальное преимущество. Открытый ящик не влияет на резонансную частоту динамика. Именно за эту особенность его любили в прошлом. Большой проблемой открытого ящика являются внушительные габариты. Без них он не способен с достаточным звуковым давлением воспроизводить низкие частоты. По этой причине сегодня такие АС в основном удел любителей и кастомных мастерских, которые производят их как жанровые модели для музыки, нижний порог частотного диапазона которой заканчивается в районе 200 — 300 Гц. В качестве акустического демпфера в открытых ящиках использовалась панель акустического сопротивления в виде тонкой перфорированной задней стенки.

Преимущества:

• Не влияет на резонансную частоту динамика
• обладает низкими собственными резонансами

Недостатки:

• Большие размеры
• Ограничения по нижнему порогу частотного диапазона ок. 300 Гц.
• Практически невозможно найти

Закрытый ящик

Закрытый ящик представляет собой корпус, полностью изолирующий динамик во внутреннем объеме. Конструкция закрытого ящика приводит к повышению резонансной частоты динамической головки, так как помимо жесткости подвеса диффузора начинает влиять упругость воздуха, находящегося во внутреннем объеме ящика. Чем меньше этот объем, тем выше частота резонанса.
Первый вариант закрытого ящика — это сделать объем ящика настолько большим, что бы он не мог ощутимо повлиять на резонансную частоту динамика.

Второй вариант закрытого ящика предложил Эдгар Вильчур. Он обратил внимание на то, что линейность пневматической пружины, которой фактически являлся воздух в замкнутом объеме, выше, чем линейность подвеса диффузора. Вильчур впервые предложил максимально снизить жесткость подвеса диффузора, чтобы фактически заменить механический подвес на пневматический, настолько, на сколько это было возможно. И таким образом увеличить линейность.

Фрагмент патентной заявки Эдгара Вильчура на закрытый ящик

Оба варианта, как всё в акустике, имеют свои достоинства и недостатки. Вариант Вильчура не позволил снизить коэффициент гармоник, так как диффузор не может держаться только на воздухе, и механические части сохраняются в конструкции, пусть часть функции подвеса берет на себя внутренний объем. Более того, выяснилось, что при малых объемах и работе в поршневом режиме воздух также нелинеен. Чтобы избежать такой нелинейности объем ящика должен быть равен объемам комнаты, в которой находится. Что практически нивелирует все преимущества варианта Вильчура.

Вариант с большим объемом не требует особых условий для конструкции динамика и сравнительно хорошо работает, имея габариты немного меньше открытого ящика при равном SPL (звуковом давлении) на низких частотах. При этом граница частотного диапазона на НЧ, при меньших размерах, может быть значительно ниже, чем в открытом ящике. Для того, чтобы сгладить горбатую АЧХ, используются демпфирующие звукопоглотители.

Достоинства:

• Нижняя граница частотного диапазона 65 Гц (и ниже при соответствующих габаритах)
• Габариты меньше, чем у открытого ящика
• АЧХ, как правило, ровнее, чем у фазоинверторных вариантов

Недостатки:

• При конкурентных характеристиках действительно большой корпус (в 2-3 раза больше, чем у ФИ с равным SPL на НЧ и нижней границе частотного диапазона)
• Наличие значительно больших, чем у открытого ящика резонансов корпуса (особенно при недостаточном демпфировании и неоптимальной форме)
• Значительное влияние формы на добротность резонансов (наиболее предпочтительные — с низкой добротностью куб и шар)

Капризный фазоинвертор

Принцип ФИ акустики знаком многим. Фазы колебания изнутри и снаружи в том же закрытом ящике противоположны. Установка в корпус трубы определённой длины позволяет повернуть фазу на 180 градусов. Таким образом на выходе из трубы фазоинвертора звук на его резонансной частоте становится синфазным со звуком с внешней стороны диффузора, они складываются и звуковое давление увеличивается.

Наличие дополнительного резонанса увеличивает скорость спада АЧХ на 6 дБ на октаву. В недостаточно широких трубах возникают вихри из-за большой скорости прокачки воздуха, что отражается на звуке в виде выраженных посторонних призвуков и дополнительных нелинейных искажений. Также в ФИ нередко возникают т.н. органные СЧ-резонансы, турбулентные и другие призвуки. Избавление от всех этих “прелестей” стоит значительных усилий со стороны колонкостроителей инженеров. По этой причине можно говорить о том, что ФИ-акустика при всей её популярности является наиболее проблемной.

Покупать ФИ-акустику без предварительного посещения шоурума и прослушивания — категорически нельзя, так как можно нарваться на очень красивые, но гудяще-дребезжащие колонки.

В силу изложенного, говорить об ФИ-акустике как о каком-то универсальном решении не приходится. Главным достоинством является усиленное воспроизведение НЧ на резонансной частоте ФИ, за которую пользователь платит линейностью АЧХ, высокой вероятностью резонансных проблем и посторонних призвуков.

Достоинства:

• Громкие НЧ
• Небольшой размер
• Очень распространена

Недостатки:

• Риск повышения Кг
• Провал АЧХ между рез. частотой ФИ и рез. частотой динамика
• Паразитные резонансы и призвуки
• Решение врожденных проблем оформления дорого и иногда высокотехнологично

Трансмиссионная линия

Это один из вариантов лабиринтной акустики, о котором я подробно писал здесь.

В итоге

Таким образом наиболее простые и наименее проблемные с акустической точки зрения типы акустики требуют большего объема, а любые ухищрения, в частности инверсия фазы, чревато искажениями и призвуками. Из изложенного можно заключить, что рынок делает выбор в пользу громкой, а если точнее, басовитой акустики меньших размеров, и практически игнорирует логичные решения, предполагающие более высокую верность воспроизведения.

90% АС для дома, ориентированных на hi-fi рынок, которые производятся сегодня в мире — это фазоинверторная акустика преимущественно двух типов: напольные столбики и небольшие полочники. Для некоторых людей проблему с ФИ решают заглушки, которыми закрывается ФИ, что превращает АС в ЗЯ.

Реклама
Мы продаём акустические системы. В нашем каталоге их много, при желании можно найти АС и сабвуферы закрытого типа, в изобилии представлены АС с фазоинвертором.

Источник