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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Subwoofer per auto. Parte 2. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / relatori Ricarica... "Poi ho iniziato a contare il volume della scatola del violino, e questo lavoro è stato lungo e affascinante. ... Il volume non può essere ridotto: il violino sibilerà e inizierà a ronzare sordamente. Se lo aumenti, strillerà in modo penetrante, il basso diventerà sordo e debole...", A.A. Vainer, G.A. Weiner, "Visita al Minotauro". Contesto Nella parte precedente della nostra conversazione, è diventato chiaro cosa è positivo e cosa è negativo nei diversi tipi di progettazione acustica. Sembrerebbe che ora “gli obiettivi siano chiari, mettiamoci al lavoro, compagni…”. Ma così non è stato. In primo luogo, il design acustico, in cui non è installato l'altoparlante stesso, ma solo una scatola assemblata con vari gradi di cura. E spesso è impossibile assemblarlo finché non viene determinato quale altoparlante verrà installato al suo interno. In secondo luogo, e questo è il divertimento principale nella progettazione e produzione di subwoofer per auto, le caratteristiche di un subwoofer valgono poco al di fuori del contesto delle caratteristiche, almeno quelle più basilari, dell'auto su cui funzionerà. C'è anche una terza cosa. Un sistema di altoparlanti mobile adatto a qualsiasi tipo di musica è un ideale raramente raggiunto. Un installatore competente di solito si riconosce dal fatto che, quando “prende letture” da un cliente che ordina un'installazione audio, chiede di portare dei campioni di ciò che il cliente ascolterà sul sistema da lui ordinato dopo il suo completamento. Come puoi vedere, ci sono molti fattori che influenzano la decisione e non c'è modo di ridurre tutto a ricette semplici e inequivocabili, il che trasforma la creazione di installazioni audio mobili in un'attività molto simile all'arte. Ma è ancora possibile delineare alcune linee guida generali. Tsifir Mi affretto ad avvertire i timidi, i pigri e gli educati umanitari: praticamente non ci saranno formule. Cercheremo di fare a meno, il più a lungo possibile, anche della calcolatrice, un metodo dimenticato di calcolo mentale. I subwoofer sono l'unica parte dell'acustica automobilistica in cui misurare l'armonia con l'algebra non è un compito disperato. Per dirla senza mezzi termini, è semplicemente impensabile progettare un subwoofer senza calcoli. I dati iniziali per questo calcolo sono i parametri degli altoparlanti. Quale? Sì, non quelli con cui ti ipnotizzano in negozio, stai tranquillo! Per calcolare, anche le caratteristiche più approssimative, di un altoparlante a bassa frequenza, è necessario conoscere i suoi parametri elettromeccanici, di cui ce ne sono tantissimi. Questa è la frequenza di risonanza, la massa del sistema in movimento, l'induzione nello spazio del sistema magnetico e almeno altre due dozzine di indicatori, alcuni comprensibili e altri non così chiari. Rovesciato? Non sorprendente. Due australiani, Richard Small e Neville Thiel, furono sconvolti allo stesso modo circa vent'anni fa. Hanno suggerito di utilizzare un insieme di caratteristiche universali e abbastanza compatte invece dei monti Tsifiri, che hanno immortalato, meritatamente, i loro nomi. Ora, quando vedi una tabella nella descrizione dell'altoparlante intitolata Parametri Thiel/Small (o semplicemente T/S), sai di cosa stiamo parlando. E se non trovi una tabella del genere, passa all'opzione successiva: questa è senza speranza. L'insieme minimo di caratteristiche che devi scoprire è:
frequenza naturale - questa è la frequenza di risonanza dell'altoparlante senza alcuna progettazione acustica. Ecco come viene misurato: l'altoparlante è sospeso in aria alla massima distanza possibile dagli oggetti circostanti, in modo che ora la sua risonanza dipenderà solo dalle sue caratteristiche: la massa del sistema in movimento e la rigidità della sospensione. Si ritiene che minore è la frequenza di risonanza, migliore sarà il subwoofer. Ciò è vero solo in parte; per alcune costruzioni una frequenza di risonanza troppo bassa costituisce un ostacolo. Per riferimento: il valore basso è 20 - 25 Hz. Sotto i 20 Hz è raro. Sopra i 40 Hz è considerato alto per un subwoofer. Fattore di qualità completo Il fattore qualità in questo caso non è la qualità del prodotto, ma il rapporto tra le forze elastiche e viscose esistenti nel sistema di altoparlanti in movimento vicino alla frequenza di risonanza. Il sistema di altoparlanti mobili è molto simile alle sospensioni di un'auto, dove sono presenti una molla e un ammortizzatore. Una molla crea forze elastiche, cioè accumula e rilascia energia durante le oscillazioni, e un ammortizzatore è una fonte di resistenza viscosa; non accumula nulla, ma assorbe e dissipa sotto forma di calore. La stessa cosa accade quando il diffusore e tutto ciò che è ad esso collegato vibrano. Un fattore di qualità elevato significa che predominano le forze elastiche. È come un'auto senza ammortizzatori. Basta passare sopra un sasso e la ruota inizierà a saltare, senza essere trattenuta da nulla. Salta alla frequenza di risonanza inerente a questo sistema oscillatorio. In relazione ad un altoparlante ciò significa un superamento della risposta in frequenza alla frequenza di risonanza, tanto maggiore quanto più alto è il fattore di qualità totale del sistema. Il fattore di qualità più alto, misurato in migliaia, è quello di una campana, che di conseguenza non vuole suonare ad alcuna frequenza diversa da quella di risonanza, fortunatamente nessuno glielo pretende. Un metodo popolare per diagnosticare l'oscillazione delle sospensioni di un'auto non è altro che misurare il fattore di qualità delle sospensioni utilizzando un metodo fatto in casa. Se ora si mette in ordine la sospensione, cioè si fissa un ammortizzatore parallelo alla molla, l'energia accumulata durante la compressione della molla non tornerà tutta, ma verrà parzialmente rovinata dall'ammortizzatore. Questa è una diminuzione del fattore di qualità del sistema. Ora torniamo alle dinamiche. Va bene che andiamo avanti e indietro? Questo, dicono, è utile... Tutto sembra essere chiaro con la molla dell'altoparlante. Questa è una sospensione del diffusore. E l'ammortizzatore? Ci sono due ammortizzatori che lavorano in parallelo. Il fattore qualità totale di un altoparlante è costituito da due cose: meccanica ed elettrica. Il fattore di qualità meccanica è determinato principalmente dalla scelta del materiale di sospensione, principalmente dalla rondella di centraggio, e non dall'ondulazione esterna, come talvolta si crede. Di solito non si verificano grandi perdite e il contributo del fattore di qualità meccanica al totale non supera il 10-15%. Il contributo principale deriva dal fattore qualità elettrica. L'ammortizzatore più rigido che opera nel sistema oscillante di un altoparlante è un insieme di bobina mobile e magnete. Essendo per sua natura un motore elettrico, come si conviene a un motore, può funzionare come generatore e questo è esattamente ciò che fa in prossimità della frequenza di risonanza, quando la velocità e l'ampiezza del movimento della bobina mobile sono massime. Muovendosi in un campo magnetico, la bobina genera corrente e il carico per tale generatore è l'impedenza di uscita dell'amplificatore, cioè praticamente zero. Risulta essere lo stesso freno elettrico di cui sono dotati tutti i treni elettrici. Anche lì, in frenata, i motori di trazione sono costretti a funzionare come generatori, e il loro carico è una batteria di resistenze di frenatura sul tetto. La quantità di corrente generata sarà naturalmente maggiore quanto più forte è il campo magnetico in cui si muove la bobina mobile. Si scopre che cosa più potente magnete per altoparlanti, rif sotto, a parità di altre condizioni, il suo fattore di qualità. Ma, naturalmente, poiché nella formazione di questo valore sono coinvolte sia la lunghezza del filo di avvolgimento che la larghezza della fessura nel sistema magnetico, sarebbe prematuro trarre una conclusione definitiva basandosi solo sulla dimensione del magnete. E quello preliminare: perché no?... Concetti di base - il fattore di qualità totale dell'oratore è considerato basso se è inferiore a 0,3 - 0,35; alto - più di 0,5 - 0,6. Volume equivalente La maggior parte dei moderni driver per altoparlanti si basa sul principio della "sospensione acustica". A volte li chiamiamo “compressione”, il che non è corretto. Le teste di compressione sono una storia completamente diversa, associata all'uso delle trombe come design acustico. Il concetto di sospensione acustica consiste nell'installare un altoparlante in un volume d'aria la cui elasticità è paragonabile all'elasticità della sospensione dell'altoparlante. In questo caso risulta che è stata installata un'altra molla parallelamente alla molla già presente nella sospensione. In questo caso, il volume equivalente sarà tale che la molla appena apparsa abbia la stessa elasticità di quella già esistente. La quantità di volume equivalente è determinata dalla rigidità della sospensione e dal diametro dell'altoparlante. Più morbida è la sospensione, maggiore sarà il cuscino d'aria, la cui presenza inizierà a disturbare l'oratore. La stessa cosa accade con una variazione del diametro del diffusore. Un diffusore di grandi dimensioni a parità di cilindrata comprimerà più fortemente l'aria all'interno della scatola, sperimentando così una maggiore forza di risposta di elasticità del volume d'aria. È questa circostanza che spesso determina la scelta della dimensione dell'altoparlante, in base al volume disponibile per adattarlo al suo design acustico. I grandi diffusori creano i prerequisiti per un'elevata potenza del subwoofer, ma richiedono anche grandi volumi. L'argomento del repertorio della stanza alla fine del corridoio scolastico “Io ho di più” deve essere usato con attenzione qui. Il volume equivalente ha rapporti interessanti con la frequenza di risonanza, senza la consapevolezza della quale è facile non accorgersene. La frequenza di risonanza è determinata dalla rigidità della sospensione e dalla massa del sistema mobile, mentre il volume equivalente è determinato dal diametro del diffusore e dalla rigidità stessa. Di conseguenza, una situazione del genere è possibile. Supponiamo che ci siano due altoparlanti della stessa dimensione e con la stessa frequenza di risonanza. Ma solo uno di loro raggiungeva questo valore di frequenza grazie ad un diffusore pesante e ad una sospensione rigida, mentre l'altro, al contrario, aveva un diffusore di luce con sospensione morbida. Il volume equivalente di una tale coppia, nonostante tutta la somiglianza esterna, può differire in modo molto significativo e, se installato nella stessa scatola, i risultati saranno notevolmente diversi. Quindi, stabilito cosa significano i parametri vitali, cominciamo finalmente a scegliere il promesso sposo. Il modello sarà così: crediamo che tu abbia deciso, in base, ad esempio, ai materiali dell'articolo precedente di questa serie, il tipo di design acustico e ora devi scegliere un altoparlante tra centinaia di alternative. Avendo padroneggiato questo processo, il processo inverso, ovvero la scelta di un design adatto per l'altoparlante selezionato, sarà facile per te. Voglio dire, quasi senza difficoltà. scatola chiusa Come è stato detto nell'articolo precedente, una scatola chiusa è la struttura acustica più semplice, ma tutt'altro che primitiva; al contrario, presenta, soprattutto in un'auto, una serie di importanti vantaggi rispetto ad altri. La sua popolarità nelle applicazioni mobili non sta affatto svanendo, quindi inizieremo con essa. Cosa succede alle prestazioni dell'altoparlante se installato in una scatola chiusa? Dipende da una sola quantità: il volume della scatola. Se il volume è così grande che chi parla praticamente non se ne accorge, arriviamo all'opzione schermo infinito. In pratica, questa situazione si ottiene quando il volume della scatola (o altro volume chiuso situato dietro il diffusore o, più semplicemente, quello che c'è da nascondere, il bagagliaio di un'auto) supera di tre volte il volume equivalente dell'altoparlante. volte o più. Se questo rapporto è soddisfatto, la frequenza di risonanza e il fattore di qualità complessivo del sistema rimarranno quasi gli stessi di quelli dell'altoparlante. Ciò significa che devono essere scelti di conseguenza. È noto che il sistema acustico avrà la risposta in frequenza più fluida con un fattore di qualità totale di 0,7. A valori più bassi, le caratteristiche dell'impulso migliorano, ma il decadimento della frequenza inizia a frequenze piuttosto elevate. A valori elevati, la risposta in frequenza diventa più elevata in prossimità della risonanza e le caratteristiche transitorie si deteriorano leggermente. Se ti concentri sulla musica classica, sul jazz o sui generi acustici, la scelta ottimale sarebbe un sistema leggermente sovrasmorzato con un fattore di qualità di 0,5 - 0,7. Per i generi più energici, l'enfasi sui bassi, ottenuta con un fattore di qualità di 0,8 - 0,9, non farà male. E infine, i fan del rap si divertiranno tantissimo se il sistema avrà un fattore di qualità pari a uno o anche superiore. Il valore di 1,2 dovrebbe, forse, essere riconosciuto come limite per qualsiasi genere che pretenda di essere musicale. Dobbiamo anche tenere presente che quando si installa un subwoofer nell'abitacolo dell'auto, le basse frequenze aumentano, a partire da una certa frequenza, determinata dalle dimensioni dell'abitacolo. I valori tipici per l'inizio dell'aumento della risposta in frequenza sono 40 Hz per un'auto di grandi dimensioni, come una jeep o un minivan; 50 - 60 per il medio, come un otto o un lombo; 70 - 75 per uno piccolo, di Tavria. Ora è chiaro: per installare in modalità schermo infinito (o Freeair, se non ti dispiace che quest'ultimo nome è brevettato da Stillwater Designs) hai bisogno di un altoparlante con un fattore di qualità totale di almeno 0,5, o anche superiore, e un frequenza di risonanza non inferiore a 40 hertz - 60, a seconda di cosa si scommette. Tali parametri di solito significano una sospensione piuttosto rigida, che è l'unica cosa che salva l'altoparlante dal sovraccarico in assenza di “supporto acustico” dal volume chiuso. Ecco un esempio: Infinity produce versioni delle stesse teste con indici delle serie Reference e Kappa br (basso riflesso) e ib (sconcerto infinito). I parametri Thiel-Small, ad esempio, per il Reference da dieci pollici differiscono come segue:
È chiaro che l'opzione ib in termini di frequenza di risonanza e fattore di qualità - è pronto per funzionare "così com'è", e a giudicare sia dalla frequenza di risonanza che dal volume equivalente - questa modifica è molto più difficile dell'altra, ottimizzata per lavorare in un bass reflex, e, quindi, ha maggiori probabilità di sopravvivere nelle difficili condizioni del Freeair. Cosa succede se, senza prestare attenzione alle lettere minuscole, si mette in queste condizioni un altoparlante con un indice che assomiglia a due piselli in un baccello? br? Ma ecco cosa: a causa del basso fattore di qualità, la risposta in frequenza inizierà a diminuire a frequenze di circa 70 - 80 Hz, e la testa "morbida" sfrenata si sentirà molto a disagio sul limite inferiore della gamma, ed è facile per sovraccaricarlo lì. Quindi abbiamo concordato: Per l'utilizzo in modalità “schermo infinito”, è necessario selezionare un altoparlante con un fattore di qualità totale elevato (non inferiore a 0,5) e una frequenza di risonanza (non inferiore a 45 Hz), specificando tali requisiti in base al tipo di materiale musicale predominante e la dimensione della cabina. Ora riguardo al volume "non infinito". Se si posiziona un altoparlante in un volume paragonabile al suo volume equivalente, il sistema acquisirà caratteristiche significativamente diverse da quelle con cui l'altoparlante è entrato in questo sistema. Innanzitutto, se installato in un volume chiuso, la frequenza di risonanza aumenterà. La rigidità è aumentata, ma la massa è rimasta la stessa. Anche il fattore qualità aumenterà. Giudicate voi stessi: aggiungendo la rigidità di un volume d'aria piccolo, cioè inflessibile, per aiutare a irrigidire la sospensione, abbiamo quindi, per così dire, installato una seconda molla e lasciato il vecchio ammortizzatore. Al diminuire del volume aumenta in egual misura il fattore di qualità del sistema e la sua frequenza di risonanza. Ciò significa che se vedessimo un altoparlante con un fattore di qualità, diciamo, di 0,25, e vogliamo avere un sistema con un fattore di qualità, diciamo, di 0,75, allora anche la frequenza di risonanza triplicherà. Com'è l'altoparlante? 35 Hz? Ciò significa che nel volume corretto, in termini di forma della risposta in frequenza, sarà 105 Hz, e questo, sai, non è più un subwoofer. Quindi non va bene. Vedi, non avevi nemmeno bisogno di una calcolatrice. Diamo un'occhiata all'altro. Frequenza di risonanza 25 Hz, fattore di qualità 0,4. Il risultato è un sistema con un fattore di qualità di 0,75 e una frequenza di risonanza intorno ai 47 Hz. Abbastanza degno. Proviamo subito, senza muoverci dal bancone, a stimare quanto sarà grande la scatola. È scritto che Vas = 160 l (o 6 cu.ft, che è più probabile). (Vorrei poter scrivere qui la formula - è semplice, ma non posso - ho promesso). Pertanto, per i calcoli al banco, ti do un foglietto illustrativo: copialo e mettilo nel portafoglio se l'acquisto di un altoparlante per basso rientra nei tuoi piani di acquisto:
Per noi è circa il doppio, quindi risulta essere una scatola con un volume di 50 - 60 litri, sarà un po' troppo... Andiamo con il prossimo. E così via. Si scopre che affinché possa emergere un design acustico concepibile, i parametri degli altoparlanti non solo devono rientrare in un determinato intervallo di valori, ma devono anche essere collegati tra loro. Le persone esperte hanno ridotto questo collegamento all'indicatore Fs / Qts. Se il valore Fs/Qts è 50 o meno, l'altoparlante è nato per una scatola chiusa. Il volume richiesto della scatola sarà più piccolo, Fs inferiore o Vas più piccolo. Dai dati esterni, i "reclusi naturali" possono essere riconosciuti da diffusori pesanti e sospensioni morbide (che danno una bassa frequenza di risonanza), magneti non molto grandi (in modo che il fattore di qualità non sia troppo basso), bobine mobili lunghe (poiché la corsa del cono di un altoparlante operante in una scatola chiusa, può raggiungere valori piuttosto elevati). Invertitore spaziale Un altro tipo di design acustico popolare è il bass reflex, che, con tutto l'ardente desiderio, non può essere contato allo sportello, nemmeno approssimativamente. Ma puoi valutare l'idoneità dell'oratore a questo scopo. E generalmente parleremo del calcolo separatamente. La frequenza di risonanza di un sistema di questo tipo è determinata non solo dalla frequenza di risonanza dell'altoparlante, ma anche dall'impostazione del bass reflex. Lo stesso vale per il fattore qualità del sistema, che può cambiare significativamente al variare della lunghezza del tunnel, anche a volume costante dell'abitazione. Poiché il bass reflex può essere, a differenza di una scatola chiusa, sintonizzato su una frequenza vicina o addirittura inferiore a quella dell'altoparlante, la frequenza di risonanza propria della testa può essere più alta rispetto al caso precedente. Ciò significa, con una scelta vincente, un diffusore più leggero e, di conseguenza, caratteristiche di impulso migliorate, di cui il bass reflex ha bisogno, poiché le sue caratteristiche transitorie “innate” non sono le migliori, peggiori di quelle di una scatola chiusa, almeno. Ma è consigliabile avere il fattore qualità il più basso possibile, non più di 0,35. Riducendolo allo stesso indicatore Fs/Qts, la formula per scegliere un altoparlante per un bass reflex sembra semplice: Gli altoparlanti con un valore Fs/Qts pari o superiore a 90 sono adatti per l'uso in un bass reflex. Segni esterni di una roccia invertita di fase: diffusori di luce e potenti magneti. Passa-banda (abbastanza brevemente) Gli altoparlanti passa-banda, nonostante tutti i loro vantaggi sonori (nel senso di massima efficienza rispetto ad altri tipi), sono i più difficili da calcolare e produrre, e adattare le loro caratteristiche all'acustica interna di un'auto con insufficiente esperienza può trasformarsi in inferno assoluto, quindi con questo tipo Quando si tratta di progettazione acustica, è meglio camminare sulle rocce e utilizzare le raccomandazioni dei produttori di altoparlanti, anche se questo ti lega le mani. Tuttavia, se avete ancora le mani libere e non vedete l'ora di provare: per i passa banda singoli sono adatti quasi gli stessi altoparlanti dei bass reflex, mentre per i passa banda doppi o quasi sono adatti gli stessi o, più preferibilmente, testine con un indice Fs/Qts pari o superiore a 100. Come calcolare tutto questo già allontanandosi dal contatore - la prossima volta. Autore: Andrey Elyutin, AvtoZvuk; Pubblicazione: avtozvuk.com
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