Elektroniki Praktyczna - Obudowy głośnikowe.pdf - Artykuły - seedmenn

Obudowy głośnikowe

Parametry Thiele'a-Smalla, obudowa zamknięta

Profesjonalne konstruowanie zespołów głośnikowych wymaga bardzo dużej wiedzy

technicznej. Jednak budowanie zespołów głośnikowych przez konstruktorów - amatorów o różnym

stopniu zaawansowania jest bardzo popularne. W Polsce spowodowały to wieloletnie braki

rynkowe w ofercie zespołów głośnikowych. Trochę łatwiejszym zadaniem było zaopatrzenie się w

same głośniki firmy TONSIL. Tą drogą powstały konkurencyjne cenowo kopie popularnych

Altusów itp., a czasami były to konstrukcje odmienne i bardziej interesujące.

Na całym świecie, a dzisiaj już również w Polsce, przy ogromnym wyborze fabrycznych

zespołów głośnikowych, motywacja do podobnego majsterkowania musi być inna zamiłowanie do

realizacji własnych, oryginalnych pomysłów.

Projektowanie zespołów głośnikowych daje szerokie możliwości. Zbudowanie zespołów

wysokiej klasy jest możliwe przy wysokich kosztach i dużym doświadczeniu, ale zaczynać można

od konstrukcji bardzo prostych, w oparciu o tanie głośniki i części oraz znajomość podstawowych

praw. Efekt pracy jest zawsze spektakularny - nie ma dwóch zespołów głośnikowych brzmiących

tak samo!

Najpowszechniej stosowany rodzaj głośnika - przetwornika elektroakustycznego, nazywany

głośnikiem dynamicznym, wytwarza ciśnienie akustyczne po obydwu stronach membrany. Ze

względu na przeciwną fazę fal promieniowanych przez każdą ze stron (zagęszczeniu środowiska po

jednej stronie towarzyszy rozrzedzenie po stronie przeciwnej), konieczne jest zapobieganie ich

wzajemnym interferencjom i znoszeniu się.

Dla doskonałej separacji energii promieniowanych przez obydwie strony membrany

wprowadza się teoretyczne pojęcie nieskończenie wielkiej odgrody, której praktyczna realizacja jest

niemożliwa. Odgroda o wymiarach skończonych i możliwych do zaakceptowania, przy najniższych

częstotliwościach (przy dużych długościach fal) nie zapewnia wystarczającego przesunięcia fazy,

wynikającego z różnicy dróg od obydwu stron membrany do ucha słuchacza. Dlatego ta popularna

dawniej forma obudowy straciła dzisiaj rację bytu w systemach Hi-Fi, które mają odtwarzać pełen

zakres częstotliwości akustycznych.

W przypadku głośników przetwarzających zakres wysokich częstotliwości, sama

konstrukcja głośnika zamyka tylną stronę membrany i wytłumia promieniowaną przez nią falę.

Dopiero zapewnienie właściwych warunków pracy głośników średniotonowych, a szczególnie

niskotonowych, wymaga zastosowania specjalnych zabiegów.

Jak zostanie dalej wykazane, przy zastosowaniu głośnika o dużej średnicy membrany,

potrzebnej do wytworzenia odpowiedniego ciśnienia akustycznego, obudowa o bardzo małej

objętości nie zapewni właściwych parametrów układu głośnik - obudowa, wymaganych dla

prawidłowego przetwarzania najniższych częstotliwości.

Rozwiązanie problemu energii promieniowanej przez tylną stronę membrany może

postępować dwoma podstawowymi kierunkami. Po pierwsze, z użyciem obudów - układów akus-

tycznych odwracających w pewnym zakresie fazę fali promieniowanej przez tylną stronę

membrany i wypromieniowujących jej energię na zewnątrz. Po drugie, przez zastosowanie obudów

tłumiących energię promieniowaną przez tylną stronę membrany. Niektóre konstrukcje łączą obie te

metody. Tylko nieliczne eksperymenty zmierzają do eliminacji obudowy głośnika niskotonowego.

Wśród współczesnych praktycznych rozwiązań wymienić należy następujące typy obudów:

• zamknięte;

• z otworem (bass-reflex) i ich szczególny przypadek obudowy z membraną bierną;

• typu band - pass;

• labiryntowe - z akustyczną linią transmisyjną;

• tubowe.

Każdy z wymienionych typów może mieć wiele odmian. Rodzaj i parametry możliwej do

zastosowania obudowy ściśle wiążą się z parametrami określonego głośnika.

Wszystkie ważne z tego punktu widzenia parametry elektryczne i mechaniczne głośnika

(bez obudowy) zostały zintegrowane w parametrach Thiele’a - Smalla;

f c - częstotliwość rezonansowa

Q TS - dobroć całkowita

V AS - objętość ekwiwalentna

Podstawowy rezonans mechaniczny głośnika jest rezonansem podatności zawieszeń

membrany C MS i masy membrany wraz z masą współdrgającą powietrza M MS . Jego częstotliwość

jest określona wzorem:

(1)

⋅

gdzie f s oznacza częstotliwość podstawowego rezonansu mechanicznego głośnika

niezabudowanego [Hz], C MS - podatność zawieszeń membrany [m/N], M MS - masę membrany wraz

z masą współdrgającą [kg].

Poniżej częstotliwości rezonansowej spada sprawność przetwarzania energii elektrycznej w

akustyczną. Częstotliwościowa charakterystyka przetwarzania w zakresie częstotliwości

rezonansowej i poniżej niej (rys. 1), a także zdolność przetwarzania impulsów, zależą od wartości

dobroci całkowitej układu rezonansowego głośnika:

⋅

(2)

(3)

(4)

gdzie Q TS jest dobrocią całkowitą głośnika niezabudowanego, Q MS – dobrocią mechaniczną, Q ES –

dobrocią elektryczną, R MS – rezystancją mechaniczną [kg/s], R E – rezystancją cewki głośnika [Ω],

B l – współczynnikiem siły [N/A].

Rys. 1 . Teoretyczne charakterystyki przetwornika dla różnych wartości dobroci Q, przy

częstotliwości rezonansowej f s

Objętość powietrza, której podatność odpowiada podatności zawieszeń przy określonej

powierzchni membrany danego głośnika, stanowi o wartości objętości ekwiwalentnej:

V AS = ρ 0 ·c 2 ·S b ·C MS (5)

gdzie ρ 0 oznacza gęstość powietrza (l,18 kg/m 3 ), c – prędkość dźwięku w powietrzu (345 m/s), S b –

efektywną powierzchnię membrany [m 2 ], C MS – podatność zawieszeń [m/N].

Wbudowanie głośnika do obudowy zamkniętej powoduje dodatkowe zawieszenie

membrany na poduszce powietrznej. Podatność zawieszeń głośnika i podatność powietrza w obu-

dowie dodają się do siebie tak jak pojemności kondensatorów połączonych szeregowo, określając

nową podatność układu głośnik - obudowa. Wypadkowa podatność jest więc zawsze niższa od

podatności samego zawieszenia głośnika, co powoduje wzrost częstotliwości rezonansowej

określony współczynnikiem α:

= 1

V AS

(6)

gdzie: V - objętość zastosowanej obudowy zamkniętej,

f c = α·Q TS (7)

gdzie: f c - częstotliwość rezonansowa głośnika w obudowie.

Wbudowanie głośnika do obudowy powoduje również zmianę wartości dobroci, gdzie

niewielki wpływ ma również - pomijana w tym miejscu - dobroć samej obudowy zamkniętej:

Q TC = α·Q TS (8)

gdzie: Q TC - dobroć całkowita głośnika w obudowie zamkniętej.

Dobre odtworzenie impulsów uzyskuje się przy dobroci mniejszej od 0,7; również

charakterystyki częstotliwościowe dla Q TC > 0,7 są nierównomierne, wraz ze wzrostem dobroci w

coraz większym stopniu uwypuklając zakres częstotliwości rezonansowej (rys. 1).

Przykładowe parametry 25 cm głośnika niskotonowego (PEERLESS PT 250M) są

następujące:

f s = 28 Hz

Q TS = 0,4

V AS = 160 dm 3

Użycie obudowy zamkniętej o objętości np. 10 dm 3 powoduje wzrost częstotliwości

rezonansowej i dobroci do wartości:

f c = 115 Hz

Q TC = 1,65

Są to wartości zdecydowanie zbyt wysokie ze względu na wynikające z nich pasmo

przenoszenia, liniowość charakterystyki oraz przetwarzanie impulsów. Z powyższych zależności i

przykładu wynika, dlaczego nie można użyć obudowy o małej objętości w przypadku dużych

głośników niskotonowych. Dla maksymalnej dopuszczalnej wartości Q TC = 1, właściwa objętość

obudowy powinna wynosić V = 30 dm 3 , a częstotliwość rezonansowa f c = 71 Hz. Dążąc do

lepszego przetwarzania impulsów, przy dobroci Q TC = 0,7 należy użyć obudowy o objętości ok. 80

dm 3 , uzyskując przy tym częstotliwość rezonansową f c = 49 Hz. Dla uzyskania bardzo dobrego

odtwarzania impulsów przy dobroci Q TC = 0,5 i przy częstotliwości rezonansowej f c = 35 Hz

konieczna objętość V wynosi prawie 300 dm 3 . Spadek ciśnienia akustycznego przy f c wynosi

wówczas -6 dB, podczas gdy dla Q TC = 0,7 przy f c wynosi tylko -3dB (rys. 2). Rozwiązanie Q TC =

0,5 charakteryzuje się lepszym przetwarzaniem impulsów i samego krańca pasma akustycznego, ale

w szerokim zakresie niskich częstotliwości wartość Q TC = 0,7, nawet przy relatywnie wyższej

wartości f c , zapewnia wypromieniowanie większej mocy akustycznej. Łagodny spadek

charakterystyki przy Q TC = 0,5 z kolei łatwiej poddać korekcji elektrycznej, wyrównującej jej prze-

bieg i rozszerzającej pasmo przenoszenia aż do skraju pasma akustycznego. Również wpływ

akustycznych odgród w pomieszczeniu odsłuchowym (podłoga, ściany), zwiększając reaktancję

promieniowania głośnika, powoduje zwiększenie natężenia dźwięku w zakresie niskich

częstotliwości - w przypadku Q TC = 0,5 bez uwypuklania częstotliwości rezonansowej. W praktyce

realizację wartości Q TC = 0,5 spotyka się rzadko ze względu na konieczność użycia relatywnie dużej

obudowy w stosunku do założenia Q TC = 0,7.

Rys. 2 . Teoretyczne charakterystyki głośnika PEERLESS PT 250 w obudowach o objętości:

30 dm 3 (Q TC = 1, f c = 71 Hz)

78 dm 3 (Q TC = 0,7, f c = 49 Hz)

290 dm 3 (Q TC = 0,5, f c = 35 Hz)

Integralną częścią obudowy zamkniętej jest jej wypełnienie materiałem tłumiącym.

Zapobiega ono w dużym stopniu szkodliwym rezonansom - nie dopuszcza do powstawania fal

stojących między naprzeciwległymi (najczęściej równoległymi) ściankami wewnątrz obudowy,

osłabia drgania samej konstrukcji. Dzięki niższej prędkości dźwięku w materiale tłumiącym

pozwala zastosować obudowę do kilkunastu procent mniejszą. Głośnik niskotonowy, przeznaczony

do obudowy zamkniętej, powinien mieć zarówno jak najniższe wartości Q TS , f s i V AS , jak również

odpowiednią proporcję f s /Q TS . Wysoka wartość f s w stosunku do Q TS prowadziłaby do zbyt

wysokiej wartości f c przy optymalnej wartości Q TC , zwłaszcza przy założeniu Q TC = 0,7.

Tabela. 1 . Parametry T-S przykładowych głośników firmy PEERLESS różnych wielkości i

uzyskane wartości f c i objętość V dla założonych wartości Q TC

W tabeli l przedstawiono typowe, przykładowe parametry T-S dla głośników o różnych

wielkościach przeznaczonych do obudów zamkniętych, a także częstotliwości f c i objętości V

(obudowa niewytłumiona) dla założonych wartości Q TC .

Obudowa zamknięta jest najprostszą praktyczną realizacją idei eliminacji energii

promieniowanej przez tylną stronę membrany. Jest również łatwa w zaprojektowaniu. Przyjęcie

założenia np. 0,5< Q TC <0,7 wyznacza bardzo duży zakres objętości obudowy możliwej do użycia.

Duża tolerancja, jeśli chodzi o ten najistotniejszy konstrukcyjny parametr, zachęca konstruktorów –

amatorów do projektowania i budowy tego typu obudów. Obudowa zamknięta jest

„najbezpieczniejszym” rozwiązaniem zwłaszcza wtedy, gdy nie są znane dokładnie wartości

parametrów T-S. Prawdopodobieństwo wykroczenia poza graniczne dopuszczalne wartości Q TC

jest niewielkie.

Podstawową wadą obudowy zamkniętej, będącą cechą samej koncepcji, jest

niewykorzystanie energii tylnej strony membrany. Dlatego obecnie dominującą konstrukcją firm

głośnikowych jest wyzyskująca część tej energii obudowa z otworem. Zaprojektowanie takiej

obudowy jest znacznie trudniejsze, a wymagania stawiane używanemu głośnikowi niskotonowemu

surowsze [1].

Obudowa bass-reflex

Rys. 3 . Układ rezonansowy obudowy z otworem

CAP – podatność powietrza w obudowie

MAP – masa powietrza w otworze

VB – objętość obudowy

SV – powierzchnia otworu

LVE – efektywna długość tunelu

Zasada działania

System bass-reflex (obudowy z otworem) na wykorzystuje energię promieniowaną przez

tylną stronę membrany do pobudzenia układu rezonansowego obudowy i wypromieniowania

energii zakresu częstotliwości rezonansowej tego układu na zewnątrz. Układ rezonansowy

obudowy tworzą: masa powietrza w otworze (w tunelu otworu) określona jego powierzchnią i

długością, i podatność powietrza w obudowie, określona jego objętością i powierzchnią

działającego na nią otworu (rys. 3).

Przy częstotliwości rezonansowej układu bass-reflex jego praca odciąża sam głośnik

niskotonowy od dużych amplitud. W tym zakresie główną część energii promieniuje otwór, w fazie

przesuniętej o ok. 90° względem fazy fali promieniowanej przez sam głośnik. Poniżej

częstotliwości rezonansowej przesunięcie fazy zwiększa się do prawie 180°, a otwór promieniuje

energię porównywalną z wytwarzaną przez głośnik (głośnik przepompowuje powietrze w

obudowie). Wypadkowe ciśnienie akustyczne jest stąd bardzo małe. Powyżej częstotliwości

rezonansowej bass-reflex stopniowo przestaje pracować, udział energii wytwarzanej przez głośnik

wzrasta (rys. 4).

Elektroniki Praktyczna - Obudowy głośnikowe.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: