Как рассчитать закрытый ящик для динамика. Закрытый ящик

Предлагаемый метод расчета фазоинвертора основан на простейших измерениях, проводимых с вполне определенным экземпляром громкоговорителя, устанавливаемым в акустический фазоинвертор и на номографическом определении размеров последнего.

В первую очередь, руководствуясь рис. 1 и таблицей, необходимо изготовить «стандартный объем» — герметичный фанерный ящик, все стыки которого во избежание утечек воздуха тщательно подогнаны, проклеены и промазаны пластилином.

Малогабаритные колонки для качественного воспроизведения звука

Расчет закрытого ящика (Версия 2)

Акустическое оформление в виде закрытого ящика можно рассматривать как предельный случай ящика-фазоинвертора с бесконечно малым отверстием. Эквивалентная акустическая схема низкочастотной головки в закрытом ящике может быть получена, если в схеме рис. 3 отбросить элементы, относящиеся к инвертору. Соответствующая частотная характеристика громкоговорителя совпадает с уравнением (17) при y3 = y4 = 0.

Среди множества типов частотных характеристик, которые могут быть получены для громкоговорителя в виде закрытого ящика. Наибольший интерес представляют гладкие частотные характеристики Баттерворта второго порядка. Эти характеристики образуются при условии выполнения соотношений между параметрами головки и ящика, выраженных уравнением (27) при f b /f s = 0. Особенностью громкоговорителей с частотными характеристиками Баттерворта второго порядка является то обстоятельство, что частота среза f 3 (29) совпадает с резонансной частотой головки в ящике f c .

Расчет фазоинвертора

В связи с частыми письмами о помощи расчета того или иного акустического оформления, пишу эту статью. Я не буду ни кому рассчитывать оформление, не всегда есть время. Я это сайт создал специально для тех, кому интересна акустика и которые хотят в ней разбираться. Я лучше выложу для ленивых готовые варианты и примеры расчетов, а дальше сами разбирайтесь, крутите мозгами. И так.

В области низких частот работа громкоговорителя не зависит от формы ящика или типа фазоинвертора, а определяется лишь двумя параметрами акустического оформления — объемом ящика-фазоинвертора V и частотой его настройки F b . К нахождению этих величин и сводится в основном расчет акустического оформления.

FAQ по динамикам и сабвуферам

В связи с множественными вопросами, как рассчитать корпуса длядинамиков я выкладываю несколько статей, связанных с расчетом акустического оформления для динамиков. Не забываем, что акустическое оформление важно для НЧ-головок. И так начинаем....

В последнее время стало слышно очень много вопросов про динамики и сабвуферы. Подавляющее большинство ответов можно получить на первых трех страницах любой книги, написанной профессионалами. Материал адресован в первую очередь начинающим, ленивым;) и сельским самодельщикам, подготовлен на основе книг И.А.Алдощиной, В.К.Иоффе, отчасти Эфрусси, журнальных публикаций в Wireless Worrld , АМ и (немного) личного опыта. HЕ использовалась информация из Интернета и ФИДОнета. Материал никоим образом не претендует на полноту освещения проблемы, а представляет собой попытку объяснить на пальцах азы акустики.

Чаще всего вопрос звучит примерно так: "нашел динамик, что с ним делать?", или "Товарищч, а говорят такие сабвуферы бывают...". Здесь мы рассмотрим только один вариант решения этой проблемы: По имеющемуся динамику сделать ящик, с оптимальными параметрами на HЧ, насколько это возможно. Этот вариант сильно отличается от задачи заводского конструктора-натянуть нижнюю частоту системы до необходимой по ТУ величины

Звук в конце тоннеля

"Володя, будешь на складе - захвати порты для фазиков …"
(подслушано в одной из московских установочных студий)

Когда АвтоЗвук был еще маленьким и сидел под крылом Салона АВ , вышли в свет две первые части трилогии о сабвуферах - о том, чего ждать от разных типов акустического оформления и как подобрать динамик для закрытого ящика.

Значительная часть тех, кто, обдумывая житье, решил с пониманием отнестись к басовому вооружению своего автомобиля, этим, в принципе, уже могла бы обойтись. Но не все. Поскольку существует как минимум еще один, чрезвычайно популярный тип акустического оформления, по распространенности не уступающий закрытому ящику.

Фазоинвертор в отечественной литературе, bass reflex, ported box, vented box - в англоязычной - все это, по сути, звукотехническая реализация идеи резонатора Гельмгольца. Идея проста - замкнутый объем соединяется с окружающим пространством с помощью отверстия, содержащего некоторую массу воздуха. Вот именно существование этой массы - того самого столба воздуха, который, по утверждению Остапа Бендера, давит на любого трудящегося, и производит чудеса, когда резонатор Гельмгольца нанимают на работу в составе сабвуфера. Здесь мудреная вещь имени германского физика приобретает прозаическое имя тоннеля (по-буржуйски port или vent) .

Заряжаем....

Потом стал считать объем скрипичной коробки, и работа эта была долгая и увлекательная. …. Объем нельзя уменьшить - скрипка засипит, начнет глухо бубнить. Если увеличить - пронзительно завизжит, басы танут тусклыми и слабыми.…
(А.А.Вайнер, Г.А.Вайнер Визит к Минотавру)

В статье выяснили, чем хороши различные типы акустического оформления и чем плохи. Казалось бы, теперь "цели ясны, за работу, товарищи.." Не тут-то было. Во-первых, акустическое оформление, в которое не установлен собственно динамик - всего лишь с той или иной степенью тщательности собранная коробка. А зачастую и собрать-то ее нельзя, пока не будет определено, какой динамик окажется в нее установлен. Во-вторых, и в этом главная потеха в проектировании и изготовлении автомобильных сабвуферов — характеристики сабвуфера немногого стоят вне контекста характеристик, хотя бы самых основных, автомобиля, где он будет работать. Есть еще и в-третьих. Мобильная акустическая система, одинаково приспособленная для любой музыки — редко достигаемый идеал. Грамотного установщика можно узнать обычно по тому, что, "снимая показания" с клиента, заказывающего аудиоустановку, он просит принести образцы того, что клиент будет слушать на заказанной им системе после ее завершения.

Как видно, факторов, влияющих на решение - очень много и свести все к простым и однозначным рецептам нет никакой возможности, что и превращает создание мобильных аудиоустановок в занятие сильно родственное искусству. Но некоторые общие ориентиры наметить все же можно.

Предыдущая

Характерная особенность контрапертуры в том, что звук, приходящий к слушателю фактически со всех сторон, хотя и создает впечатляющий эффект присутствия, не может в полной мере передать информацию о звуковой сцене. Отсюда рассказы слушателей об ощущении летающего по комнате рояля и прочих чудесах виртуальных пространств.

Контрапертура

Плюсы: Широкая зона эффектного объемного восприятия, натуралистичность тембров благодаря нетривиальному использованию волновых акустических эффектов.

Минусы: Акустическое пространство заметно отличается от звуковой сцены, задуманной при записи фонограммы.

И другие...

Если вы думаете, что на этом список вариантов оформления колонок исчерпывается, значит вы сильно недооцениваете конструкторский энтузиазм электроакустиков. Я описал только наиболее ходовые решения, оставив за кадром близкую родственницу лабиринта - трансмиссионную линию, полосовой резонатор, корпус с панелью акустического сопротивления, нагрузочные трубы...

Nautilus от Bowers & Wilkins - одна из самых необычных, дорогих и авторитетных в плане звучания акустических систем. Тип оформления - нагрузочные трубы

Подобная экзотика встречается довольно редко, но иногда она материализуется в конструкции с действительно уникальным звучанием. А иногда и нет. Главное не забывать, что шедевры, как и посредственности, встречаются во всех оформлениях, что бы ни говорили идеологи того или иного бренда.

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:

Страна	Закрытый ящик	Фазоинвертор	Пассивный излучатель	Другое оформление
США	43 %	32 %	9 %	16 %
Европа	61 %	32 %	6 %	1 %
Япония	28 %	62 %	10 %	–

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 ω 01 и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха S В может быть найдено как:

S В =γρ 0 S эфф 2 /V [ 1]

γ – показатель адиабаты;

S эфф – Эффективная площадь диффузора головки;

V – внутренний объем корпуса оформления.

Рис. 1 . Типичная закрытая акустическая система и ее электроакустический аналог.

Эффективной площадью диффузора считают 50-60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d S эфф =0,55S =0,44d 2 . Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость S В суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S 0 и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении вычисляется по формуле:

ω 01 =√((S 0 +S B)/m ) = ω 0 √( 1+S B /S 0 ) , [ 2]

где m 0 – масса подвижной системы головки.

Как видно из , упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха V Э, имеющего упругость S 0 . Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении:

ω 01 =ω 0 √(1 + V Э / V )

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 . 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 Q 01 <0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты в область низких частот и неравномерность проявляется как спад на резонансной частоте ω 01 по сравнению с высшими частотами. При 0,707<Q 01 <1 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте ω 1 и далее спад на резонансной частоте ω 01 . Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике ω 1 , и спадом на резонансной частоте ω 01 . При Q 01 >1 неравномерность частотной характеристики определяется только ликом на частоте ω 1 относительно горизонтальной части характеристики.

Рис. 3 . Зависимость неравномерности АЧХ закрытой АС от Q 01 .

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 Q 01 =1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия:

Q=Q 01 /√(1+V э фф /V)

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 , 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 ω 01 ’ может быть найдена как:

ω 01 ’ = ω 01 √ ((1+0,75 ∙ S/S 0 ) ∙ (1+ S/S 0 )) [ 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 (V Э /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 : V=60∙10 -3 /((50/38) 2 -1)=83 л . (результат умножаем на 1000)
Находим добротность головки в закрытом оформлении из формулы : Q 01 =0,8√(1+60/83)=1,05 . В соответствии с рис. 3 минимальная неравномерность АЧХ имеет место при Q 01 =1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте ω 1 практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ.

Графическое представление уравнений (27) и (29) образует номограмму для расчета громкоговорителей с акустическим оформлением в виде закрытого ящика. На рис. 17 в прямоугольной системе координат изображены зависимости отношений V as /V , f 3 /f s , f c /f s в функции от Qt. Методика расчета акустического оформления громкоговорителя с известной частотой среза или с ящиком известных размеров полностью подобна методике для громкоговорителей в виде ящика-фазоинвертора. Номограмма построена для громкоговорителя без потерь в акустическом оформлении (Qb = бесконечность), однако практически с удовлетворительной точностью ею можно пользоваться при условии Q b >10.

Частичное заполнение (до 20% объема) закрытого ящика поглощающим материалом с целью подавления стоячих волн и улучшения неравномрсности частотной характеристики на средних частотах мало влияет на Qb. Помимо сглаживания частотной характеристики, подглушение оказывается полезным еще и в том отношении, что за счет изменения закона сжатия и разрежения воздуха при колебаниях в звукопоглощающем материале происходит увеличение эффективного объема ящика (уменьшение измеряемого отношения Vas/V). Это дает возможность по сравнению с незаполненным ящиком получать частотную характеристику с более низкой частотой среза или одну и ту же частоту среза в меньшем по размерам оформлении. Чрезмерно плотное заполнение ящика поглощающим материалом приводит к обратному результату — уменьшению эффективного внутреннего объема за счет механического вытеснения воздуха и одновременно к росту потерь в ящике. Современные тенденции в построении громкоговорителей с закрытыми ящиками заключаются в использовании головок с низкой резонансной частотой и большой гибкостью подвижной системы. Для таких громкоговорителей отношение Vas/V больше или равно 3, а частота среза в 2 раза и более превышает собственную резонансную частоту головки в свободном воздухе.

Закрытый ящик и ящик-фазоинвертор являются в настоящее время самыми распространенными типами акустических оформлений громкоговорителей. Сравнительный анализ показывает, что каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

К преимуществам громкоговорителя с закрытым ящиком относят плавный спад частотной характеристики в сторону низких частот (12 дБ на октаву для закрытого ящика и 18 дБ на октаву для ящика-фазоинвертора). Более плавный спад частотной характеристики обеспечивает меньшие переходные искажения.

К преимуществам громкоговорителя, выполненного в виде ящика-фазоинвертора, можно отнести следующие.

При прочих равных условиях в области самых низких частот к. п. д. громкоговорителя оказывается на 3 дБ выше, чем для закрытого оформления. Этот выигрыш в эффективности может быть переведен в преимущество в частоте среза или объеме оформления. Так, при одинаковых к. п. д. и объемах оформлений громкоговоритель в виде ящика-фазоинвертора будет иметь более низкую частоту среза, а при равных к. п. д. и частотах среза — меньший объем оформления.

Из-за лучшего согласования головки громкоговорителя со средой амплитуда подвижной системы в области частоты резонанса громкоговорителя оказывается во много раз меньшей, чем у закрытого ящика. Это означает, что при равной излучаемой мощности громкоговоритель в виде ящика-фазоинвертора имеет меньшие нелинейные искажения.