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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Bassi in macchina: soluzioni fuori standard. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / relatori Come espandere la larghezza di banda delle frequenze effettivamente riproducibili in un sistema di altoparlanti per auto a un costo minimo? L'autore, ripetuto partecipante a concorsi car audio e instancabile sperimentatore, offre soluzioni progettuali originali (con l'applicazione di formule di calcolo) che forniranno un notevole miglioramento dei "bassi" del sistema di altoparlanti senza una significativa riduzione del volume utile del tronco. Il problema principale che si pone quando si costruisce un sistema di altoparlanti in un'auto è una riproduzione indebolita delle frequenze più basse della gamma. Un subwoofer già pronto o fatto in casa è la soluzione più radicale al problema dei "bassi". Tuttavia, la carrozzeria scatolare occupa molto spazio nel bagagliaio e le strutture integrate che ripetono le complesse superfici curve dell'auto sono molto laboriose da realizzare. Pertanto, i subwoofer senza box, nonostante i loro svantaggi intrinseci, sono ancora popolari. Anche la semplicità della soluzione gioca un ruolo importante: per installare un altoparlante (per gli automobilisti - sinonimo di testa dinamica) nel ripiano posteriore nella progettazione di aria libera, non sono richieste qualifiche speciali. Tuttavia, il metodo è adatto solo per berline "reali", il cui bagagliaio è separato dall'abitacolo da un tramezzo. Altrimenti, la tenuta di questo design acustico è molto condizionale e la riproduzione delle basse frequenze si deteriora. Inoltre, le dimensioni del ripiano del lunotto limitano la dimensione massima delle teste dinamiche, quindi le teste rotonde di diametro 6,5-8" o le teste ellittiche 6x9 (7x10)" sono il limite per i veicoli più comuni. Le berline non hanno questo problema: una testa del subwoofer da quindici pollici può essere facilmente posizionata nel ripiano posteriore lì. Ma non è così facile risolvere il problema. Un ripiano posteriore fragile non è poi così male, il vero problema è che è estremamente difficile isolare il volume del bagagliaio dall'abitacolo. Di conseguenza, ci sono più problemi che vantaggi da una soluzione del genere: non è realistico sigillare le giunture del ripiano con i lati del bagagliaio e lo schienale del sedile posteriore. Il design acustico in questo caso non è più una scatola "condizionatamente chiusa", ma uno schermo acustico. Di conseguenza, le perdite di dispersione "consumano" tutti i vantaggi di un grande diffusore. Aumentare la potenza in ingresso o correggere la risposta in frequenza non salverà la giornata. Fortunatamente, le perdite sono significative solo ad alta potenza in ingresso a frequenze inferiori a 50 Hz. Diminuiscono con un aumento del volume del tronco (il grado di variazione della pressione diminuisce). Le perdite possono essere ulteriormente ridotte utilizzando altoparlanti con un volume di trasmissione ridotto (area del cono più piccola e corsa ridotta). Tuttavia, la loro efficienza è bassa, quindi questo percorso non è di interesse. Il problema può essere risolto cambiando il tipo di progettazione acustica. Poiché nelle berline il ripiano posteriore per l'installazione degli altoparlanti deve ancora essere almeno rafforzato e, al massimo, rinnovato di nuovo, una leggera complicazione del suo design non è un grosso inconveniente. Inoltre, vengono proposte due opzioni per la progettazione acustica delle testine a bassa frequenza in un'auto, che sono state ripetutamente testate nella pratica [1,2]. Altoparlante a strisce Dal punto di vista della massima efficienza, è molto vantaggioso utilizzare un altoparlante passa-banda (passa-banda). Innanzitutto, questo tipo di design acustico non riproduce segnali fuori banda. Pertanto, l'uso di filtri elettrici nel percorso del segnale che forma la risposta in frequenza del subwoofer non è più strettamente obbligatorio. In secondo luogo, l'efficienza di un altoparlante passa-banda è molto superiore a quella di altri tipi di progettazione acustica, il che consentirà l'uso di un amplificatore di potenza relativamente bassa. Insieme, queste circostanze consentono al subwoofer di funzionare direttamente dall'unità principale (radio). Ciò è particolarmente interessante per coloro che non desiderano installare un amplificatore aggiuntivo. Per i nostri scopi, un sistema del quarto ordine è particolarmente conveniente, costituito da due camere: chiusa e risonante, nella partizione tra le quali è installata una testa dinamica. Useremo il tronco come camera chiusa e trasformeremo lo scaffale in una camera di risonanza dotata di invertitore di fase (Fig. 1).
È possibile anche il contrario, ma non è di facile attuazione, in quanto eventuali trafilamenti ed in particolare il volume variabile del fusto (dipende dal riempimento) influiscono sull'accordatura della cassa di risonanza in misura molto maggiore rispetto all'impostazione di un uno chiuso. Sì, ed è quasi impossibile scoprire il valore esatto del volume del bagagliaio necessario per i calcoli: nessuna casa automobilistica lo fornisce con una precisione fino a un litro. Infine, l'efficienza di tale variante secondo i risultati della simulazione è notevolmente inferiore. Bandpass consente di controllare in modo flessibile la risposta in frequenza del sistema di altoparlanti. Le caratteristiche principali sono determinate dalla camera di risonanza e il volume della camera chiusa può essere considerato uno strumento per regolare la frequenza di risonanza e il fattore di qualità della testa. Tuttavia, nel nostro caso, entrano in vigore alcune restrizioni: alcuni parametri di progettazione sono "realtà oggettiva" e non possono essere modificati arbitrariamente. Quindi, il volume del bagagliaio, in questa versione che svolge il ruolo di una camera acustica chiusa, è solitamente di almeno 300 litri, ed è difficile variarlo. Fortunatamente, con la scelta appropriata dei parametri della testina, l'effetto del volume della camera chiusa sulla risposta in frequenza può essere ridotto al minimo. La simulazione di varie opzioni da parte del programma JBL Speaker Shop ha permesso di determinare i rapporti principali dei parametri (Fig. 2):
Nel progetto proposto, il volume della camera di risonanza e le dimensioni della porta dell'invertitore di fase sono abbastanza accettabili. Un aumento del volume della camera di risonanza rispetto al volume equivalente restringe la larghezza di banda e una diminuzione del volume della camera di risonanza espande la banda, ma la risposta in frequenza diventa a doppia gobba. Tenendo conto dei volumi reali del tronco e dei volumi disponibili della camera di risonanza, le teste dinamiche con i seguenti parametri sono le più adatte per un tale progetto: fattore di qualità totale Qts = 0,7 ... 1,0; volume equivalente Vas = 10...60 l; frequenza di risonanza naturale Fb = 40...60 Hz. Queste condizioni sono soddisfatte non solo da oratori "seri", ma anche dalla maggior parte dei "pancake". I risultati della simulazione dell'UA "nello stesso tronco" sono mostrati in fig. 3.
Si può vedere qui che l'efficienza di un sistema passa-banda con una testina dinamica avente i parametri specificati nell'intervallo di frequenza inferiore a 50 Hz è notevolmente superiore a quella di un case chiuso (almeno teoricamente). La frequenza di taglio di una custodia chiusa a un livello di -3 dB è di soli 42 Hz e per un altoparlante passabanda è di 27 Hz. Allo stesso tempo, nella regione delle frequenze più basse (15 ... 30 Hz), la banda passante è inferiore all'invertitore di fase, realizzato nello stesso volume del case - mentre l'irregolarità della risposta in frequenza nella banda passante della fase l'inverter è più alto. È vero, nel caso di un invertitore di fase di un tale volume, sarà molto difficile utilizzare il bagagliaio per lo scopo previsto ... L'attuazione pratica del progetto proposto non è difficile. Basta guardare un tipico ripiano fortificato (Fig. 4).
Per trasformarsi in un passabanda, mancano solo una camera di risonanza sigillata e un invertitore di fase. E nonostante il volume apparentemente impressionante della camera di risonanza, visivamente non è grande: per il volume ottenuto nel calcolo di 45 litri con una dimensione del pannello di 1,1x55 m, l'altezza interna della camera è di soli 7,5 cm! Tenendo conto dello spessore delle pareti, l'altezza totale non supera i 10 cm e una tale perdita di altezza del tronco può essere trasferita senza dolore. La maggior parte dei programmi di modellazione calcola anche la porta dell'invertitore di fase, di solito solo con una sezione circolare.Per calcolare l'invertitore di fase senza utilizzare programmi specializzati, è possibile utilizzare la nota formula [3]
dove Fb - frequenza di risonanza, Hz; V, - volume della camera, cm3; S, - area portuale, cm2; l - lunghezza del tunnel (spessore del pannello), cm; k - proporzioni del foro Dalla posizione della tecnologia di produzione, è più conveniente realizzare una porta dell'invertitore di fase sotto forma di un foro nel pannello, senza utilizzare un tubo. Poiché nessuna trasformazione matematica porta la formula in una forma conveniente per il calcolo delle dimensioni dei fori, è più facile utilizzare il metodo delle approssimazioni successive. In prima approssimazione, la sezione trasversale del foro viene scelta entro il 50 ... 70% dell'area del diffusore (l'area totale dei diffusori, se sono presenti più diffusori). Quindi, la frequenza di sintonia dell'invertitore di fase viene determinata per un dato spessore del pannello e il volume della camera di risonanza. Quindi rimangono solo poche iterazioni per affinare l'area del foro e guidare il risultato in una "forchetta". Per la regolazione finale della frequenza di sintonia (nella direzione dell'aumento), è conveniente utilizzare il coefficiente di forma del foro k: il suo valore alla potenza di 0,12 cresce molto lentamente, l'allungamento del foro non supera 1,4 ... 1,6 anche per slot molto stretti e lunghi ( 1:20...1:50). Se, come risultato di tutti i calcoli, l'area del foro risulta ancora inferiore al 20% dell'area del diffusore, vale la pena aumentare la profondità della porta, ad es. ". In questo caso, va ricordato che la distanza dal taglio interno della canna alla parete della cassa di risonanza deve essere almeno la sua dimensione "caratteristica", pari alla radice quadrata dell'area (la stessa radice di S in il denominatore). Se questa condizione non è soddisfatta, il "surplus" del tubo dovrà essere rimosso dal corpo o dovrebbe essere rivista la geometria della camera di risonanza. Forse vale la pena aumentare il volume della cassa di risonanza e ripetere completamente i calcoli, a partire dalla simulazione. Mi spiego con un esempio. Per il diffusore, in base al calcolo sopra riportato, è stata utilizzata una testina di 25 cm di diametro con un'area del cono di circa 380 cm2. La porta deve essere impostata su 50 Hz. Per una camera da 45 l con uno spessore del pannello di 12 mm, un foro di 300 cm2 dà un'accordatura di 104 Hz, con un'area di 100 cm2 la frequenza di accordatura si riduce a 77 Hz. Un'ulteriore riduzione dell'area del foro non è auspicabile, quindi la profondità della porta dovrà essere aumentata. Con la stessa area di 100 cm2 e una profondità di 48 mm, la frequenza di sintonia è ancora più bassa - 67 Hz. A malincuore, riduciamo l'area del foro a 74 cm2 (tubo con un diametro esterno di 100 mm, un diametro interno di 97 mm) e aumentiamo la profondità a 110 mm. L'area del foro è il 19% dell'area del cono, la frequenza di sintonia è esattamente 50 Hz. Il risultato è raggiunto, ma non nel migliore dei modi. Poiché l'altezza interna del corpo è di 7,5 cm e la dimensione caratteristica del tubo è di 8,6 cm, l'intero tubo deve entrare all'esterno della camera di risonanza. Il vantaggio dell'opzione considerata del design acustico è che le caratteristiche degli altoparlanti sono praticamente indipendenti dal carico del bagagliaio (fino a circa la metà del suo volume). Tuttavia, non è possibile implementare un invertitore di fase senza tubo con tutti i tipi di testine, il che rappresenta un indubbio svantaggio. E il tubo che sporge dal ripiano posteriore è un'estetica decisamente all'avanguardia. Tuttavia, l'arte (compresa la musica) richiede sacrificio... Carico acustico negli altoparlanti (risuonatore piatto) E se affronti il problema dall'altra parte, estrai la camera di risonanza in cima allo scaffale? Naturalmente, le testine dinamiche devono soddisfare i requisiti già indicati in precedenza: fattore di qualità completo nell'intervallo 0,7 ... 1, sospensione moderatamente rigida, bassa frequenza della risonanza principale. La versione più semplice della camera di risonanza è uno schermo acustico piatto posto in prossimità del diffusore. La massa d'aria sotto lo schermo si comporterà allo stesso modo del tubo dell'invertitore di fase: oscillerà. E il ruolo della porta sarà svolto da uno slot attorno al perimetro dello schermo. In prima approssimazione, questo progetto può essere considerato una variante del risonatore di Helmholtz, e la stessa formula (1) può essere utilizzata per il calcolo, ma in forma trasformata - per la variante "senza tubo":
dove Fb - frequenza di risonanza, Hz; Vc - volume della camera, cm; Sb - area portuale, cm2; k - fattore di forma del foro (k = 1-1,25). Tuttavia, per calcolare lo schermo, la formula in questa forma è estremamente scomoda, poiché tutte le quantità sul lato destro sono interconnesse. Inoltre, il grado e persino la direzione dell'influenza di alcuni parametri non è chiaro. Pertanto, sono state derivate formule convenienti per il calcolo dello schermo (derivazione della formula e analisi alla fine dell'articolo). Per un calcolo preliminare dell'area dello schermo, applichiamo la seguente formula:
dove S è l'area dello schermo, cm2. Come si può vedere, nella formula (3) appare solo l'area dello schermo. Dove sono finite le altre impostazioni? Un'attenta analisi ha dimostrato che la frequenza di sintonizzazione dipende debolmente dalla forma dello schermo e dall'altezza della sua installazione (sintonizzazione entro il 10% del valore medio). Pertanto, per un calcolo preliminare, è sufficiente tenere conto dei valori medi di questi parametri per il valore del coefficiente al numeratore. E per il calcolo finale, applica la formula esatta (4), che viene fornita di seguito. È facile calcolare che per frequenze inferiori a 120 Hz, l'area dello schermo sopra lo scaffale supera 1,2 m2 e un'ulteriore riduzione della frequenza di sintonia è limitata dalle dimensioni del veicolo... L'esatta frequenza di sintonia è determinata dalla formula
dove h - altezza di installazione dello schermo, cm; j - coefficiente della forma dello schermo, pari a: 2,03 - per uno schermo rotondo; 2,17 - per uno schermo quadrato; 2,25 - per uno schermo rettangolare con estensione 2:1. Per la verifica sperimentale, è stato installato uno schermo con dimensioni di 0,99x0,46 m sul ripiano posteriore rinforzato dell'auto IZH-2126 "Oda". La frequenza di sintonizzazione del progetto per il calcolo mediante la formula (3) è stata scelta come 200 Hz, perfezionata dalla formula (4) - 215 Hz. Nel processo di regolazione e ascolto, si è scoperto che l'altezza ottimale per l'installazione dello schermo è compresa tra 25 e 40 mm. Questa misura ha permesso di eliminare il "fallimento" della risposta in frequenza nella regione dei medio-bassi e di appianare la caratteristica di picco risonante delle testine applicate. Gli schizzi delle parti dello scaffale non vengono forniti, perché per le auto di altre marche le dimensioni saranno diverse. Lo schermo è realizzato in compensato con uno spessore di 9 mm, per aumentare la rigidità, sul lato inferiore dello schermo è installato un angolo in duralluminio 20x20 mm. Lo schermo è fissato allo scaffale con sei bulloni lunghi con dadi flangiati, che consentono di regolare l'altezza dell'installazione (Fig. 5).
È chiaro che un tale design non può sostituire un subwoofer, ma può migliorare la riproduzione dei bassi sotto i 200 Hz anche dagli altoparlanti più economici. Ecco perché l'idea dell'autore è stata ripresa e in un certo numero di città russe i servizi automobilistici hanno persino lanciato la produzione su piccola scala di scaffali acustici schermati per auto comuni. Oltre a migliorare le prestazioni a bassa frequenza, è anche importante per i consumatori che gli altoparlanti in tale scaffale non siano visibili e l'auto non attiri l'attenzione degli intrusi. E puoi mettere qualcosa sopra senza bloccare il diffusore. Spiegazioni e commenti con la derivazione delle formule (3) e (4) Per gli invertitori di fase di un'area relativamente ampia (quando la dimensione caratteristica della porta è molto maggiore della sua profondità) nella formula (1), il termine I può essere preso uguale a zero:
dove Fb - frequenza di risonanza, Hz; Vc - volume della camera, cm3; Sb - area portuale, cm2; k è il rapporto di aspetto del foro. Di solito in letteratura questa formula è data in una forma leggermente diversa (2), dove k (già senza laurea!) È chiamato il fattore di forma del foro e sono dati i suoi valori limite: 1 per fori tondi e quadrati e 1,25 per uno slot lungo. L'essenza del calcolo non cambia da questo; l'indicazione dei valori al contorno è conveniente per scopi pratici, ma nasconde il significato fisico di questo coefficiente. Per la formula nella rappresentazione tradizionale, il caso di uno schermo piatto non è affatto considerato, di conseguenza, il valore del coefficiente per tale configurazione non è indicato nei libri di riferimento, il che complica l'analisi. Nella pubblicazione originale [2], questa circostanza ha contribuito a un errore ea false conclusioni (che, in effetti, nessuno dei lettori ha approfondito - la pratica era più convincente della teoria). Per comodità di ulteriori analisi, introduciamo il coefficiente "ideale" della forma dello schermo i:
dove P è il perimetro dello schermo: S è l'area dello schermo. Per un cerchio è minimo e pari a 3,54, per un quadrato - 4, per un rettangolo con proporzioni di 2:1 - 4,24. Un ulteriore allungamento dello schermo non ha senso nemmeno per motivi di layout. La radice quadrata dell'area dello schermo non è altro che la sua dimensione "caratteristica":
La porta in questo design acustico non è un buco, è il confine tra il volume d'aria sotto lo schermo e lo spazio circostante. Pertanto, l'area di questa porta "ad anello" è il prodotto del perimetro dello schermo e dell'altezza della sua installazione. Allo stesso tempo, il volume sotto lo schermo è il prodotto della sua area e dell'altezza di installazione. Esprimiamo l'area della porta in termini di perimetro dello schermo e la sua altezza di installazione h, e il volume della camera in termini di area dello schermo e la stessa altezza di installazione. Le proporzioni di un foro sono il rapporto tra il perimetro e l'altezza. Passando alla dimensione e al coefficiente "effettivi", otteniamo
Sostituendo l'espressione (6) alla dimensione "caratteristica", otteniamo infine
Influenza della forma e delle dimensioni dello schermo A seconda della forma dello schermo, il numeratore della formula (7) assumerà i seguenti valori: schermo rotondo - 2,03; schermo quadrato - 2,17; schermo rettangolare con allungamento - 2:1 - 2.25. Pertanto, con la stessa area, uno schermo rotondo fornirà la frequenza minima di sintonizzazione. In generale, l'influenza della forma dello schermo è insignificante: quando ci si sposta da un cerchio a un quadrato della stessa area, la frequenza di sintonizzazione aumenta solo del 7%. Anche l'influenza dell'altezza di installazione è insignificante: quando cambia da 3 a 15 cm, la frequenza di sintonizzazione diminuisce del 7%. Un ulteriore aumento dell'altezza dell'installazione dello schermo è inutile. L'area dello schermo si rivela il meccanismo di regolazione più efficace Sostituendo l'altezza media di installazione e il fattore di forma, otteniamo una comoda formula per il calcolo preliminare
dove Fb - frequenza di risonanza, Hz; S - area dello schermo, cm2. Letteratura
Autore: A. Shikhatov, Mosca
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