Рупор. Расчет и проектирование
Господа, я Вас всех категорически приветствую!
В данном посте я постараюсь как можно информативней раскрыть методику расчета и методы проектирования в новом, а точнее давно забытом старом, корпусе — задненагруженный рупор.
Не так давно гуляя по просторам всемирной паутины наткнулся на новый тип — рупор (ну, по крайней мере для меня новый). И тут начались поиски всевозможной информации: способы расчета, чертежи, результаты и отзывы. Чем больше я искал, тем больше убеждался, что такого объема, как скажем про ЧВ и нет. Заглянул на всемилюбимый сайт D2 и что то конкретное найти не смог.
Я конечно же понимаю, что есть люди, которые проектировали рупора и несколько лет назад, но тем не менее считаю, что на данное время количество интересующихся людей высоко и продолжает расти.
Поднабравшись за несколько месяцев изучения информации, попробую описать методику расчета рупора. Часто встречаю коментарии, когда один пишет, что рупор "валит", другой, что это пустая трата времени, сил и денег. Давайте разбираться вместе:
Рупор по сути — это фазоинверторный короб, к которому прилегает расширяющийся в определенных пропорция и определенной длины порт. Рупор отыгрывает широкий диапазон частот, иногда это составляет 30-100 Гц. (не будем сейчас говорить о плюсах и минусах того или иного оформления) и имеет большой КПД. Рассчитывать рупор необходимо под определенный динамик и проектировать короб под конкретный багажник. Ни в коем случае не брать какой попало чертеж, а потом говорить, что рупор — ерунда
Начнем: имеем. к примеру, динамик Kick PRO 300 и хотим под него рупор.
Для начала нам нужна программа. Я пользовался Hornresp и скачать ее можно скажем от сюда
Ок! Скачали, открыли и видим вот такое окно:
Пугаться большим количеством значений и чисел не нужно, сейчас разберем. Для начала работы нужно нажать кнопку Add на картинке ниже она выделена красным овалом.
Нажали, теперь окна у нас стали активными. Продолжаем работу с данными, выделенными ниже на картинке
Sd — это эффективная площадь динамика. Среднее значение для 12" динамика составляет 480 см2. Вводим в это поле цифру 480
Cms — это жесткость механики подвеса. Не пугаемся, если не имеем такое значение. Дважды кликаем в окошке с циферками, появляется маленькое окошко, где не русскими словами программа спрашивает правильно ли мы ввели значение эффективной площади. Мы с ней соглашаемся и в новом появившемся окне вводим значение vas нашего динамика и жмем Ок.
Mmd — масса подвижки. Опять таки не пугаемся если сего значения нет. Как и в прошлом параметре, кликаем дважды по значению. Соглашаемся, что ввели правильно площадь и правильно рассчитали жесткость и в оконцовке в пустой строчке вводим резонансную частоту динамика Fs.
Re — сопротивление постоянному току. Именитые производители указывают данную цифру. Но если такого значения не имеем, то для 4-х омных динамиков данное значение будет чуть меньше сопротивления динамика и равно 3,6-3,8. Выбираем любое из этого предела.
Bl — сила мотора. Дважды кликаем по этому окошку, соглашаемся тем, что правильно ввели параметры Re и Cms. В последнем окне вводим Qes — электрическую добротность.
Rms — это механическое сопротивление. Опять таки, дважды кликаем по окошку, соглашаемся с правильностью введения жесткости динамика и резонансной частоты. В конце ставим Qms — значение параметра механической добротности.
Le — индуктивность. В случае, когда производитель не указал этот параметр ставим 1.
Так, ввод неизменных параметров динамика закончен, переходим к следующей стадии. У любого рупора есть предрупорная камера. Итак займемся:
Работать будем с теми параметрами, которые красным овалом обведены на картинки сверху. Окошки с названием Vrc, Fr, Lrc, Tal делаем нулевые, т.е. ставим там 0. Vtc — а это уже объем нашей предрупорной камеры. От куда его взять? — элементарно, это рекомендуемый объем ФИ, которые даже нерадивые производители указывают. Не боимся здесь ошибиться, дальше я попытаюсь объяснить, думаю поймете. Итак рекомендуемый объем для моего примерного динамика составляет 42,48 л. При вводе в программу данное значение нужно умножить на 1000, т.е. вносим 42480.
Atc — параметр, в нашем случае, не влияющий на расчет, поэтому, чтобы программа не ругалась поставим 1000.
Поздравляю! Мы заполнили параметры динамика и предрупорной камеры. Что же нам нужно еще? ах да! самое важное сам рупор.Ну что ж, на картинки ниже красным прямоугольником выделены параметры с которыми будем работать.
Смотрим внимательно! Нам нужно оставить только S1, S2, Con, а в остальных графах данного раздела должны стоять нолики, если это не так, вписываем 0 вручную:)
S1 — площадь сечения начало рупора. Т.е. это площадь того отверстия, через которое сообщается предрупорная камера и сам рупор.
S2— площадь сечения выхода рупора.
В идеале площадь на выходе равна 1,5-2 эффективной площади динамика, а оптимальное соотношение площадей начала и конца рупора равно 1:3. Но с этими параметрами мы можем играть, позже объясню, поэтому я поставил значения равные 250 и 800 соответственно.
Con — длина рупора. Если в ЧВ мы узнавали длину под определенную настройку, то здесь прошу не путать, здесь будем менять длину, чтобы попасть в желаемую настройку. Опираясь на теорию, отзывы людей и личный опыт, хочу сказать, что длину рупора лучше делать в пределах 150-180 см. Я поставил для начала 150.
Ну что же, УРА! Ввод параметров завершен, движемся дальше.
Жмем Tools — Loudspeaker Wizard.
И мы видим схематическое представление нашего рупора (выделено красным прямоугольником), а желтым цветом подчеркнуто System volume — это объем нашего рупора. Теперь давайте посмотрим на схематический график АЧХ. Для этого в нижнем левом углу давайте поставим Response
Что это за график скажете вы? Что за кардиограмма? Терпения мои друзья!
Давайте поставим галочку напротив Show Baseline — так мы сможем видеть наложения графиков, когда будем менять параметры. и еще поставим Combined как на картинке ниже
Сделали, график изменился на вот это
Видим, что при таких параметрах у нашего дина настройка вылезла на 40 Гц и играть он будет до 100-105 Гц. Не смотрите, что в этом участке провал, практика показала обратное. Я да же не знаю как объяснить, может программа что то не так представляет, либо я не так понимаю!:) Чем выше график, тем рупор громче, но тем меньше давка, тут уж кому что интереснее.
К примеру, для меня высоковата настрой — 40 Гц. Я начинаю играть с параметрами предрупорной камеры, сечением и длиной порта. т.е. изменять их и уже вижу как это отражается на графике. Путем манипуляций с длиной рупора я смог снизить настройку примерно до 32-33 Гц.
Меня это устраивает и я жму Save.
Теперь я знаю настройку своего рупора (расчетную), знаю его объем, объем предрупорной камеры, знаю площади сечения начала и выхода рупора, а так же его длину и теперь я могу приступать к моделированию короба.
Когда будете играть с площадями сечения, старайтесь соблюдать соотношение площадей 1:3.
Ок! Рассчет окончен, приступим к проектированию.
(огромное спасибо ребятам из группы ВК. Данное описание проектирования принадлежит им, прошу не злится на меня, просто хочу сделать одну статью, где будет собрано все)
Для примера возьмем объем, равный 123 литрам. По факту он может отличается от расчетного, процентное соотношение рассчитывать не будем. Погрешность в любом случае будет очень невысокой и расхождение с расчетной настройкой не больше 1 Гц. На слух этого не заметить и общей картины не испортит. Экспонентное расширение ни в счет.
v1 — общий чистый объем оформления, не путать с объемом камеры рупора.
v2 — чистый внутренний объем плюс объем внутренних перегородок. Самое главное, что нам поможет свернуть расчетные данные с минимальной погрешностью 138 литров.
v3 — грязный объем по габаритам корпуса. 175 литров.
Имеем примерно следующее соотношение Vtc — 56 л, S1 — 210 см2, S2 — 770 см2, Con — 145см, v1 — 123 л., v2 — 138 л. (12%), v3 — 175 л. (42%)
Ну и главное, как свернуть и с чего вообще начинать работу над чертежом. Набросок выполняется с использованием программы Google SketchUp 8.
Определившись с шириной или глубиной корпуса, рисуем отдельно расширяющийся порт длиной 145см, он нам поможет правильно свернуть рупор. Площадь на выходе 770кв, делим на внутреннюю высоту 35см и получаем ширину порта на выходе — 22см. Площадь вначале 210кв, также делим и получаем ширину порта — 6см.
Получив 123 литра чистого объема умножаем его на 1,12 и получаем примерно 138 литров. Этот объем нужно вписать внутрь корпуса. Вспоминаем математику, геометрию и прочее.
Порт сворачиваем с конца, делая разметки используя отдельно нарисованный рупор.
Сразу скругляем угол по минимальной ширине порта и отмечаем "пройденный путь" на отдельно нарисованном рупоре.
Объем считаем по средним линиям.
Ну что же господа, на этом и все. Надеюсь статья была информативна и полезна.
Все огромное спасибо за внимание и удачи в новых проектах.
Как рассчитать рупорный сабвуфер
СТАЦИОНАРНЫЙ РУПОРНЫЙ САБВУФЕР
Что такое параметры T/S (Тиэля Смола) и как они помогут мне выбрать самый подходящий для моих условий динамик.
И так что же кроется за параметрами Тиэля Смола. Для начала я дам вам описание самых распространенных (полезных) параметров T/S (Тиэля Смола), а ниже объясню как вы сможете их использовать для выбора самого подходящего динамика для вашей аккустической системы. Объяснение будет постым, я не буду вникать в математические и механические нюансы данных параметиров, что бы все было понятно даже новичку.
fs: Driver free air resonance.
fs: основной резонанс динамической головки (так же еще называют резонанс в открытом воздухе -без оформления
Можно сказать что это условия при которых все дижущиеся части динамической системы синхронизированы итли входят в резонанс. Резонанс довольно сложно объяснить, проще понять это явление если попросту сказать что очень тяжело получить с помощью динамика частоту ниже частоты его осоновного резонанса.
К примеру грубо говоря динамик с частотой основного резонанса (fs: Driver free air resonance) = 60 Hz (Гц), не будет воспроизводить частоту в 35 Hz (Гц) очень хорошо.
Динамик же с частотой основного резонанса (fs: Driver free air resonance) = 32 Hz (Гц), будет воспроизводить частоту в 35 Hz (Гц) довольно уверенно, если ваше акустическое оформление будет настроено на воспроизведение столь нихких частот. Эти два обяснения очень хорошо подходят для выбора динамика для оформления ФИ (фазинвертер), ЗЯ (Закрытый Ящик) и band-pass (банд пасс). В случае рупорного сабвуфера этот параметр не столь критичен, так как там динамик скорее используется как поршень, а частоту создает само оформление сабвуфера в виде рупора.
Qts: Driver total Q.
Qts: Общая добротность динамика
Иногда в этом параметре опускается буква Q, так как Это сокращение слова (качество — добротность). Итак Qts это общая добротность динамика, которая включает в себя електрическую и механическую добротность. Qts — дает нам понять, насколько сильна моторная (магнитная) система динамика. Динамики с малой общей добротностью системы (около 0,20( будут иметь большой магнит и смогут двигать диффузор динамика с большой силой. Это делается для тугих (жестких) динамиков. Динамик с Qts = 0,45 будут иметь меньший магнит и соответственно меньшую силу для движения диффузора. Таким образом низкое значение Qts дает сильный (жесткий, плотный) и острый звук, но с малым весом или низким басом и большим Qts получается протяжный и сильный звук который дает вам очень много низкочастотного давления. Остерегайтесь динамиков с большим Qts, более 0,6. Для нормальной работы таких динамиков вам потребуются огромные аккустические оформления (короба), так как с нормальными (реально разумными) размерами акустического оформления вы не получите от этих динамиков много басовой составляющей. Такие динамики лучше использовать в задней олке вашего авто, где они получат много свободного пространства за своей спиной.
Qms: Driver mechanical Q
Qms: Механическая добротность динамика
Qms — механическая добротность динамика, дает представление о всех механических параметрах динамика вместе. Это выражение контроля создаваемого жесткостью подвеса.
Qts (общая добротность динамика) состоит из електрической добротно Q (Qes) и механической добротности Q (Qms)
Рассчитать Qts можно как 1/Qts = 1/Qes + 1/Qms
Qms рассчитывается как
Fs sqrt(Rc)
Qms = ——————-
f2 — f1
Динамик с большой мехнической добротностью Qms может играть более открыто, чище и иметь больший динамический диапазон. Потому что такие динамики будут иметь меньшие потери. Резиновый круговой подвес более гибкий, бумажный подвес, который является частью дииффузора более конструктивен, они имеют больший воздушный поток и обычно соответственно большую чувствительность. Таким образом механическая добротность очень хороший индикатор енергетического запаса динамика.
Qts это всего лишь произведение Qes и Qms и понимания что означают эти величины, очень важно при конструировании акустических систем.
Qts Vas и fs все что нужно для вычисления размеры вашего будущего акустического оформления (короба), со временем когда вы перейдете на более профессиональный уровень конструирования, такие величины как Qes и Qms станут для вас необходим условиям для последующей работы.
BL: Driver motor strength.
BL: Магнитная сила динамика
BL: Чем больше это значение тем сильнее мотор (магнитная система). Динамики с большим BL уровнем (30 и более) могут контролировать собственный диффузор очень четко. Обычно эти динамики имеют очень большие магниты и весят очень много. Примите на заметку что динамики с большим BL уровнемобычно имеют низкое значение Qts — общей добротности. Динамики с низким значением BL (20 и менее) контролируют свой диффузор менее жестко. Эти динамики не будут столь жесткими (тугими) как их собратья. Они будут в большинстве случаев иметь большое значение Qts (более 0,28). Я называю эти динамики — грязевые динамики, из за их протяжного и объемного баса с довольно плохой моментальной реакцией.
Vas: Volume of air equal to the driver compliance.
Vas: Эквивалентный объем динамика
Он дает понятие о том насколько тугой подвес у динамика. Значение дается в литрах или в кубических дюймах. Есть много параметров влияющих на Эквивалентный объем, так что мы не можем сказать что большое значение параметра Vas лучше. На еквивалентный обхем влияет подвес динамика, размер диффузора и даже температура воздуха. Это самый трудно определяемы параметр. Его значимость труднее всего оценить.
Mmd: Mass or weight of the speaker cone assembly.
Mmd: Масса или вес движущейся системы динамика
Выражает насколько тяжелый диффузор, катушка и другие движущиеся части. 18 дюймовый динамика с Mmd около 100 грамм будет иметь довольно легкий диффузор и будет более еффективен нежели динамики с более тяжелыми диффузорами. Лешкий диффузор двигается быстрее. Легкий диффузор так же имеет большой Qts, но не всегда. Это дает им приимущество в моментальной реакции чем легче диффузор, тем быстрее реакция, но слабый мотор динамика может повлиять на увеличени общей добротности динамика Qts, что компенсирует все приимущества лугкого диффузора. Динамики с Mmd более 200 грамм будут иметь тяжелые диффузоры. Они обычно менее продуктивны (имеют маленькую еффективность), имеют двойные корзины и низкий Qts. Динамики с тяжелыми диффузорами имеют более медленны звук, но не всегда имеют низкий Qts и большой BL. Сила мотора динамической системы может противодействовать весу тяжелого диффузора и давать быструю реакцию и большую еффективность. Не путайте Mmd и Mms. Mms это общий вес динамика в сборе. Некоторые программы хотят что бы вы ввели Mmd и по нему считают Mms, другие наоброт.
Sd: Effective driver radiating area.
Sd: Эффективная площадь диффузора динамика.
Дается в кавадратных сантиметрах. Обычно означает насколько велика область динамика которой он двигает воздух. Большие динамики соответственно имеют большую площадь, маленькие — маленькую. Стандартная площадь диффузора для динамика 18 дюймов — 1150 квадратных сантиметров, а 15 дюймовый динамик имеет площадь около 890 квадратных сантиметров. Правда глубина диффузора зачастую тоже берется в рассчет. Более глубокий диффузор даст большую площадь диффузора с тем же диаметром. Именно поэтому вы видите разные эффективные площади динамиков одинаковых по диаметру. Те которые имеют большую эффективную площадь обычно либо более глубокие либо имеют меньший подвес, что увеличивает их эффективную площадь.
xmax: The amount of voice coil overhang.
xmax: Сдвиг диффузора (звуквовй катушки) в миллиметрах
Отражает расстояние в миллиметрах которое проходит катушка, от самой дальней точки до самой нижней относительно магнита. Динамики с xmax 10 мм может двигать диффузор в два раза дальше чем динамик с xmax =5. Не путайте xmax с maximum excursion (максимальное выдвижение диффузора).
maximum excursion — максимальное выдвижение диффузора можно охарактеризовать двумя способами
1. выдвижение диффузора назад до момента пока катушка не упрется в магнит
2. выдвижение диффузора вперед до момента пока он не будет остановлен максимольно возможным выгибом подвеса.
xmax это расстояние которое может проходить катушка находясь в магнитном поле динамика. Нет никакого смысла выдвигать катушку за пределы магнитного поля динамика, потомучто за пределами поля катушка будет не под контролем мотора динамической системы.
Большее значение xmax означает что катушка может двигаться вперед и назад довольно далеко находясь все время под контролем мотора динамической системы (магнитного поля). Возьмите на заметку, что величина xmax в 5 мм означает что диффузор (катушка) может ходить на 5 мм вперед и на 5 мм назад находясь под контролем мотора динамической системы.
Vd: Displacement volume.
Vd: Сдвигающая громкость (дословно)
Эту величину часто используют те у кого большой аппетит к динамикам более 24 дюймов.Vd это Sd умноженое на xmax. Это величину можно представть как колличество воздуха которое сможет сдвинуть динамик за один проход. Я описал этот параметр ниже Sd и xmax именно потому что оба они включены в данную величину. В принципе для того что бы создать звуковое давление которое вам нужно, вы должны сдвитгать воздух, и чем ниже частота которую вы хотите воспроизвести тем больше воздуха вам прийдется сдвинуть. Вы можете это сделать большим диффузором, у которых больше эффективная площадь диффузора или вы можете это сделать меньшим динамиком которые могут двигаться туда и обратно на большее расстояние (имеют больший xmax). Итак 18 дюймовый динамик с эффективной площадью диффузора 1150 квадратных сантиметров и xmax 5 мм сможет сдвинуть 5750 кубических сантиметров воздуха за раз. Можно представить себе это как веер который имеет перед собой много воздуха, и когда вы быстро его сдвинете он направит этот воздух на вас, очень быстро и с постоянной ритмичностью — это и есть динамик. Теперь возьмем как пример динамик Precision Devices PD 1850, он имеет 11,25 мм xmax и эффективную площадь Sd равную 1150 квадратным сантиметрам. Его Vd будет равен 12 975 кубических сантиметров. Он толкает 12 975 кубических сантиметров воздуха на кого то, это намного больнее (сильнее) чем 5750 кубических сантиметров. Некоторые заметили что 12 975 кубиков практически вдвое больше нежели 5750, именно поэтому я предпочитаю работать с динамиками типа PD 1850. Сравнивать величины Vd очень полезно что бы понять сколько баса может воспроизвести динамик, а многие люди этого просто не знают.
no: Free air reference efficiency.
no: Продуктивность динамика в открытом воздухе (грубо говоря)
Дается величина в процентах. Я нашел ее более полезной чем чувствительность которую указывают разработчики. Многие величины чувствительности специально раздуты разработчиками, некоторые разработчики даже не указывают no, они лишь дают величину чувствительности. no — это чувствительность динамика до того как разработчики втулили его в короб и замеряли величины верные для этого динамика по их мнению. Для басовых динамиков no в 3,8% до 5% очень очень хороший показатель, динамик обычно при таких параметрах будет иметь чувствительность в 97,9 до 99 (dB)Дб. Наиболее часто динамики встречаются с no около 1,8 — 3,8% и эти динамики будут менее еффективны.А динамики с no = 1,8% будут давать чувствительность в 94,7 (dB)Дб а 3,8% — 97,9 (dB)Дб. Величины даются в 1W/1m (1 Ватт/1 метр). Как правило динамики с большим xmax имеют маленькую величину no. Потому что они имеют длинные катушки которые тяжелы для мотора динамика, что бы двигать их с такой чувствительностью. Поэтому вам прийдется дополнительно вложится в усилитель который раскачает такой динамик, либо взять динамик с большей чувствительностью и при этом сэкономить на усилителе. Вы никогда не получите Огромную мощь от динамика с малым xmax по сравнению с той что сможете выжать из динамика с большим xmax, но вы всегда получите максимум который возможен на данной мощности от динамика с большей чувствительностью с малым xmax. Если вы никогда не раскачиваете свои динамики серъезно тогда используйте чувствительные динамики, динамические головки с малой величиной xmax обычно економят вам деньги на приобритении самого динамика в первую очередь, а так же им нужны менее мощные усилители что бы получить все что возможно от такого рода динамиков. Вы такж получите приимущества от малого веса.
Если вы раскачиваете свои динамики серъезно и хотите максимальной отдачи от них в аккустических оформлениях (рассчитаных вами размеров), тогда вам нужно использовать динамики с длинными катушками и которые имеют большой ход диффузора. Тапк же вам потребуется серъезный бюджет на усилители, обычно требуется более килловата что бы дотянуть их до максимального вылета, сказывается недостаток чувствительности.
Если я имею 500 — 750 Ватт в запасе что бы дать на каждый динамика, тогда я буду использовать более чувствительные динамики, с маленьким xmax. Если вы в данном случае используете мало чувствительные динамики с большим xmax, вы не молучите столько мощности и я смогу создать куда более сильное звуковое давление с такими же динамиками с большей чувствительностью на тех же усилителях.
Если я буду иметь возможность пригрузить динамики 1000 Ватт каждый, я буду использовать менее чувствительные с большим ходом динамики. Таким образом вы получите больше мощности, однако и давить вам их придется сильнее.
Можно объяснить это все доходчиво таким образом.
Если у меня рядом есть клуб и в нем стоят усилители по 100 Ватт на канал и качаюь динамики по 15 дюймов в рупорном оформлении, которые просто таки поражают меня своим звуковым давлением. Если я куплю динамики 18 дюймов с длинным ходом диффузора (xmax = 10 мм) и подсоединю их к тем же усилителям по 100 Ватт я даже не услышу заработали 18 дюймовики или нет (хотя при покупке я наверно рассчитывал переорать 15-ки) .
Разница в том, что они имеют очень чувствительные динамики которые дают полную звуковую мощь на 100 Ваттах и они будут раскачаны до максимума, они никогда не смогут дать больше мощности, даже если я принесу в этот клуб усилители в 1500 Ватт. Но если я куплю 1500 Ватт усилители и подсоединю их к моим 18-кам я скорее всего подыму весь район вместе с клубом. Правда мне надо будет только 500 Ватт что бы получить еквивалентную звуковую мощь от моих динамиков,с той которую я слышу в клубе (при их 100 Ватовых усилителях).
Power compression
Потери мощности (перевод по смыслу)
Не параметр из линейки T/S (Тиэля Смола), но очень полезно оценить если параметр дается производителем. Дается он в dB (Дб), часто скрывается производителями. Величина отображает чувствительность которую динамик теряет в следствии нагрева катушки. Плохие динамики теряют 5 — 6 dB (Дб). Динамики получше около 3 — 5 dB (Дб) при максимальных нагрузках. Существует несколько динамиков имеющих Power compressio менее 3dB (Дб). JBL Заявляет 2,8 dB (Дб) для одного из своих динамиков 18 дюймов, и считает это рекордом. Смешно однако Precision Devices имеет 18 дюймовый динамик с величиной потерь равной 1.6 dB при максимальной нагрузке. Так что если у вас в наличии имеется драйвер PD 1850 — 600 watts и вы пустите столько же мощщи на динамик с потерями в 4,6 dB (Дб) динамик PD 1850 будет на 3 dB (Дб) громче. Именно поэтому я обращаю внимание на мелочи. PD 1850 3 dB (Дб) громче и сможет сдвинуть намного больше воздуха нежели многие другие динамики размером 18 дюймов.
Примите к сведению что вам придется оценить многие параметры и уже потом составить собственный окончательный список. Существеут еще много параметров о которых я вам могу поведать, однако мне бы пришлось углубиться в мир математики и физики и все это свелось бы к тому что многие из них объясняли бы все то же что я описал выше.
Вам действительно надо знать точные параметры fs, Qts и Vas что бы создать аккустическое оформление, другие же параметры просто дададут вам точное представление о том как этот динамик будет работать в данном оформлении. Эти три параметра fs, Qts и Vas будут наиболее полезны они подскажут вам как наиболее рационально использовать динамик.
Если вам нужен динамик для рупора, правильный рупор с длинной более 1,8 метра, проверьте что динамик имеет Qts настолько маленькое насколько это возможно и самый сильный магнит который вы сможете найти. Параметр силы магнита дается в BL, поэтому чем он больше тем лучше. Так что не пихайте динамик с Qts = 0,48 и BL = 17 в рупор. Он не сможет двигать воздух в рупоре и просто разрушится если вы будете подавать на него большую мощность в течении длительного периода времени. Эти динамики с большим Qts просто таки просятся в вентилируемые боксы (как то ФИ — фазоинвертер). Если ваш динамик с Qts = 0.48 и Vas = 290 и Fs=35 тогда оптимальное решенире для него в виде ФИ будет объемом в 400 литров, это очень большой короб, но мы говорили выше что чем больше Qts тем больше короб нам нужен. Если мы оставим Vas и fs такими же, и уменьшим Qts до 0,35 тогда оптимальный размер будет 139 литров, что намного меньше. Так что для оформлений типа ФИ подоходят динамики с Qts’s 0.28 — 0.45. Динамики с Qts’s менее 0,28 будут чудесно работать в рупорах. Для параметров более 0,45 вы будете иметь огромные короба, в этом случае лучше всего устанавливать эти динамики в заднюю полку авто, либо в короба меньших размеров, однако при этом вы проиграете в отдаче баса.
Если мы посмотрим на другой динамик 18 дюймов, который имеет Qts = 0,19 и Fs = 40 и Vas = 230 liters (литров) и вычислим оптимальные размеры бокса для ФИ он будет размером в 22,5 литра. Вы скажите прекрасно, маленький сабвуфер, но на самом деле все не так хорошо, в таком оформлении динамик будет иметь f3 point = 112 Гц (Hz). Так что даже 60 Гц Hz буду воспроизводится очень громко. Єто динамик просто идеален для рупора, засуньте его в реально длинный рупор и отойдите подальше. f3 point это точка в которой бас преодалевает уровень в -3Дб (db). Если вы поняли все то что мы описывали выше, попробуйте угадать какой из преведенных выше двух динамиков будет иметь уровень BL ниже.Вы будете правы если скажете что это первый динамик с Qts = 0.48.
Vb: Internal volume of a ported enclosure.
Vb: Внутренний объем Фи (фазинвертор)
Vc: Internal volume of a closed box.
Vc: Внутренний объем ЗЯ (закрытый ящик)
Fb: Tuning frequency of a ported enclosure.
Fb: Частота на которую настроен ФИ
Fс: Tuning frequency of a closed box
Fс: Частота на которую настроен ЗЯ
Рассчет рупорного сабвуфера — программа HORNRESP (Horn Loudspeaker Response Analysis Program)
СКАЧАТЬ ПРОГРАММУ
Конструкция данного рупорного сабвуфера, имеет наверно наименьшею популярность из-за своей сложности. Однако при всем при этом данный сабвуфер имеет самое большое звуковое давление среди всех аккустических оформлений низкочастотных звуковых головок (ЗЯ-закрытый ящик, ФИ — фазоинвертер, Банд-пасс разных порядков).
Данное оформление является аналогией сабвуферов с полосовыми свойствами частотной характеристики, такими как банд-пасс, однако как говорилось выше сабвуферы типа рупор имеют значительно более высокое звуковое давление, и при всем при этом порой более маленькие размеры. Значительный плюс такого оформления что параметры динамика зачастую не значительно влияют на итоговую частотную характеристику.
Как мы видим на фото, всем известная система рупор имеет простую конструкцию.
Вследствии того что в идеале строить такую систему не целесообразно по ряду причин, в часности и не рациональное использование площадей и объемов.
Вследствии этого рупор делится на сегменты и сворачивается посегментно так как мы видели вначале стетьи.
Задаются длинны (L12 L23) и площади окна (S1 S2)
В рассчете такого сабвуфера нам поможет программа HORNRESP (Horn Loudspeaker Response Analysis Program) VERSION 8.40
Программа имеет вид (на первый взгляд ужасающе — все эти параметры нам нужно ввести)
Итак первый основной сегмент у нас помечен красным цветом.
Тут задаются всем известные параметры Тиеля Смола (TS параметры)
VRC — это задний объем камеры. ЗЯ который ЗА ДИНАМИКОМ
LRC — длинна камеры. при не правильной длинне звучать бедт не так. поэтому ее и указываем что б не ругался . (однако на АЧХ не влияет)
FR и TAL — заполнение синтепоном но ПОЧЕМУТО на АЧХ не влияет . (слшком мало влияние для полосового офрмления +-1 дб
VTC — объём предрупорной камеры которая перед диффузором
ATC — тоже не влияет (можно ноль)
Для того что было понятно что такое VTC (предрупорная камера перед диффузором) возьмем другую картинку. на ней. объем это расстояние от диффузора до прорези фактически окна — которое пропускает воздух непосредственно в рупор.
Осталось послдеднее поле — желтое
Тут остается наше творчество. мы можем меняя параметры достичь той АЧХ, которая нас устраивает.
ANG VEL и DEN CIR — не трогаем єто угол замера ачх, скорость и плотность воздуха
S-ки и L-ки надо самому придумывать, как говорилось выше это длинны и площади окна сегмента
Тут требуются некоторые объяснения.
Первое окно (S1) гдето 20-40% от площади диффузора (обычно вроде около 20-25)
Так же надо заметит, при вводе L-ок (нажимая на L34 к примеру можно изменить вид измерения на CON и EXP)
Ну я думаю разницу вы поняли, если что направление дал. можете эксперементировать смотреть на графики и схемы и делать выводы
F-ки это частоты среза каждого сегмента сабвуфера, программа расчитывает их сама.
НА ЭТОМ ВСЕ
Дальше эксперементируйте сами. нажимайте кнопку калькулейт и вперед 🙂
Еще вариант рупорного сабвуфера под 18дюймовый динамик
Так выглядит рупорный сабвуфер в уже готовом виде. Чертежи этого сабвуфера приведены ниже.
Для изготовления нижней фигурной части используется фанера толщиной 3 мм, которая слой за слоем наклеивается друг на друга до получения толщины 18 мм.
Еще один вариант рупорного сабвуфера про принципу равномерного расширения
Описание взято с какого иностранного форума, переводить стало лень, однако кое какие пояснения необходимы. Первоначально чертеж сабвуфера у ребят имел следующий вид:
Однако они решили пересчитать размеры в соответствии со своими требованиями и у них получились следующие размеры:
Как видно из рисунков произошло уменьшения высоты сабвуфера, что повлекло изменение рабочей частоты. Напомню, что длина раструба зависит от желаемой частоты резонанса. При изготовлении рупоров с равномерным расширением КПД сабвуфера получается несколько меньше, чем у расширяющегося по экспоненте, однако расчеты для такого рупора довольно просты. Длина рупора вычисляется по формуле L = 344 / F, где L — длина рупора, 344 — скорость звука м/с, F — частота резонанса.
Однако рупор акустической системы может быть выполнен двумя способами:
1. Закрытого типа, когда в раструб "уходит" лишь одна сторона дифузора, а вторая работает на закрытый ящик. В этом случае длина рупора может составлять как полуволновую длину, так и четверть волновую. Для примера возьмем частоту 40 Гц. Полуволновой рупор будет иметь длину L = 344 / 40 = 8,6 м / 2 = 4,3 м. Четверть волновой расчитывается также, но полная длина рупора делится уже не на 2, а на 4 и в результате мы получаем L = 344 / 40 = 8,6 м / 4 = 2,15 м.
2. Рупор открытого типа излучает одной стороной дифузора в пространство, а второй в раструб рупора. В этому случае необходим сдвиг фазы на 180 градусов, чтобы обе стороны дифузора излучали в пространство сигнал одной фазы. Поэтому длина рупора должна иметь половину длины волны звукового сигнала, следовательно длина рупора может быть только полуволновой, т.е. для частоты 40 Гц длина будет составлять L = 344 / 40 = 8,6 м / 2 = 4,3 м. На нижнем рисунке длина рупора получается примерно чуть юольше 3 м, следовательно оптимальная частота для рупора будет составлять 50. 55 Гц.
Именно это и показывает программа расчета длины рупора:
От 20 до 80 Гц АЧХ сабвуфера имеет ровную плоскость, а выше уже начинаются "качели" вызванные фазовыми искажениями. Эти "качели" следует "обрезать" фильтрами для сабвуферов, которые не дают попадать на вход усилителя мощности частотам выше 100 Гц.
Далее несколько фоток по сборке сабвуфера
С разнуми динамическими головками параметры сабвуфера имеют вид:
Правда не понятно с каким динамиков какие графики получились у этой акустической системы, тем не менее вывод сделать можно один — у данного сабвуфера дольно большая отдача по низким частотам.
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ РУПОРНЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ САБВУФЕР Текст научной статьи по специальности «Физика»
Предлагается методика расчета и разрабатывается конструкция рупорного автомобильного сабвуфера с высокой мощностью , КПД и максимальным уровнем звукового давления ( SPL ). Анализ частотных зависимостей активных составляющих входного сопротивления R вх рупоров различной формы, полученных в результате решения волнового уравнения Вебстера, показывает, что максимально эффективным при воспроизведении низких частот (НЧ) является рупор с гиперболическим профилем. В области НЧ вблизи критической частоты f кр, определяющей нижнюю граничную частоту воспроизведения, максимальным значением R вх обладает гиперболический рупор . Это обеспечивает оптимальную, в случае согласования акустических сопротивлений, нагрузку для головок громкоговорителей (ГГ), установленных на входе рупора . При выполнении условия о сравнимости размеров периметра выходного отверстия рупора — “устья” с длиной волны, соответствующей f кр, гиперболический рупор будет эффективно излучать акустическую энергию на НЧ. Использование в качестве нагрузки для задних сторон диффузоров ГГ фазоинвертора с пассивным излучателем (ПИ), работающего в фазе с излучением рупора , позволяет повысить SPL . На основе предложенной методики рассчитана и разработана конструкция рупорного автомобильного сабвуфера . Отмечены более высокие технические характеристики разработанного сабвуфера по сравнению с аналогами
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Бадаев А.С., Фомин Д.К.
HIGHLY EFFICIENT HORNY AUTOMOBILE SUBWOOFER
The paper proposes a calculation technique and develops a horn car subwoofer design with high power, efficiency and maximum sound pressure level ( SPL ). The analysis of the frequency dependences of the active components of the input impedance R in of the horns of different shapes obtained as a result of the solution of the Webster wave equation shows that the horn with a hyperbolic profile is the most effective for reproducing low frequencies (LF). In the low-frequency region near the critical frequency f cr, which determines the lower limiting reproduction frequency, the hypervalent horn possesses the maximum value R in. This provides the optimal load, in case of matching the acoustic impedances, for the loudspeaker heads (LH) installed at the input of the speaker. When the condition on the comparability of the perimeter dimensions of the horn output opening — "mouth" to a wavelength corresponding to f cr is satisfied, the hyperbolic horn will effectively emit acoustic energy at the low frequency. Using a phase inverter with a passive radiator (PR) as a load for the rear sides of the diffusers of the GG, operating in a phase with the emission of the horn, allows to increase the SPL . Based on the proposed methodology, the design of a horned automotive subwoofer was designed and developed. The work shows higher technical characteristics of the developed subwoofer compared to analogues
Текст научной работы на тему «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ РУПОРНЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ САБВУФЕР»
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ РУПОРНЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ САБВУФЕР
А.С. Бадаев, Д.К. Фомин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: предлагается методика расчета и разрабатывается конструкция рупорного автомобильного сабвуфера с высокой мощностью, КПД и максимальным уровнем звукового давления (SPL). Анализ частотных зависимостей активных составляющих входного сопротивления Двх рупоров различной формы, полученных в результате решения волнового уравнения Вебстера, показывает, что максимально эффективным при воспроизведении низких частот (НЧ) является рупор с гиперболическим профилем. В области НЧ вблизи критической частоты /кр, определяющей нижнюю граничную частоту воспроизведения, максимальным значением RBX обладает гиперболический рупор. Это обеспечивает оптимальную, в случае согласования акустических сопротивлений, нагрузку для головок громкоговорителей (ГГ), установленных на входе рупора. При выполнении условия о сравнимости размеров периметра выходного отверстия рупора — "устья" с длиной волны, соответствующей /кр , гиперболический рупор будет эффективно излучать акустическую энергию на НЧ. Использование в качестве нагрузки для задних сторон диффузоров ГГ фазоинвер-тора с пассивным излучателем (ПИ), работающего в фазе с излучением рупора, позволяет повысить SPL. На основе предложенной методики рассчитана и разработана конструкция рупорного автомобильного сабвуфера. Отмечены более высокие технические характеристики разработанного сабвуфера по сравнению с аналогами
Ключевые слова: акустические системы (АС), сабвуфер, рупор, фазоинвертор с пассивным излучателем (ПИ), мощность, КПД, SPL
С появлением новых цифровых форматов звукозаписи и повышением требований ко всем звеньям звуковоспроизводящего тракта для реализации их высоких параметров, проблема создания акустических систем (АС) с широчайшим динамическим диапазоном (до 125-130 дБ) и перегрузочной способностью становится чрезвычайно актуальной и очень не простой задачей. Кроме того, проблема представляет и прикладной интерес, заключающийся в создании автомобильного сабвуфера для участия в конкурсе по достижению максимального уровня звукового давления (SPL) в автомобильных аудиоустановках.
В связи с этим целью работы являлась разработка методики расчета гиперболического рупора, расчет и конструирование рупорного автомобильного сабвуфера с высокими мощностью, КПД и SPL.
До последнего времени повышение SPL достигалось увеличением мощности головок громкоговорителей (ГГ) и, соответственно, усилителей вплоть до 3-4 кВт , повышение SPL на 3 дБ требовало увеличение мощности в 2 раза. ГГ устанавливались в классические акустические оформления — "закрытый корпус", "фазоинвертор", "полосовой резонатор", КПД которых не превышает 1-3%, тогда как КПД рупорных оформлений достигает 20% и больше
© Бадаев А.С., Фомин Д.К., 2018
[1-3]. Поэтому в настоящей работе при разработке конструкции сабвуфера выбрано рупорное акустическое оформление.
Методика расчета и выбор конструкции
Рупорный громкоговоритель (РГ) представляет собой устройство, в котором ГГ нагружена на вход рупора. Рупором называют трубу с постепенно возрастающим сечением. Входное отверстие рупора с меньшей площадью называют «горлом», выходное, с большой площадью, «устьем» (рис. 1).
Размеры «устья» должны быть сравнимы с длиной волны колебаний самых низких воспроизводимых частот, что обеспечивает высокое, преимущественно активное сопротивление излучения Rизл и отсутствие отражения звуковой волны от выходного отверстия. При этом рупор эффективно излучает звуковую энергию в окружающую среду. Небольшая площадь «горла» выбирается из расчета получения высокого активного входного сопротивления ру-
пора, его согласования с механическим сопротивлением ГГ и обеспечения как можно более низкого уровня нелинейных искажений звукового сигнала [2]. На сегодняшний день не существует единого подхода к выбору формы рупора, применяют конструкции с различным законом изменения поперечного сечения: экспоненциальные, конические, рупора с трактрисой и т.д. Для описания волновых процессов и определения характеристик звукового поля в рупоре (линейных: звукового давления, колебательной скорости частиц среды, акустического сопротивления; энергетических: акустической мощности, интенсивности или силы звука и т.д.) следует рассмотреть решения волновых уравнений для рупоров различных конфигураций [4].
Одномерное волновое уравнение, так называемое волновое уравнение Вебстера, имеет вид
др 1 .Мх) .др+k2 р = о
где р = р (х) е]Ы — переменное звуковое давление вдоль оси рупора; 5(х)- площадь поперечного сечения вдоль оси рупора; к = ш/-волновое число; ^-круговая частота звуковых колебаний ; с- скорость звука в воздухе.
В случае гиперболического рупора площадь поперечного сечения возрастает по закону
где 8Г — площадь "горла" рупора;
рх = е 2 +е Ш 2 = 2
гиперболические косинус и синус соответственно; в — коэффициент расширения рупора, определяющий относительное изменение площади сечения при изменении осевой длины на единицу; х- координата вдоль оси рупора.
где /кр, — критическая частота, определяющая нижнюю граничную частоту, пропускаемую рупором /гр; с — скорость звука в воздухе.
При а=0 получаем рупор с профилем гиперболического косинуса (катеноидальный рупор), при а=1 — экспоненциальный рупор. В этом случае волновое уравнение (1) принимает вид
Решением уравнения (4) будет Р (х) chрx+ashрx
где А1 и А2 — амплитуды звукового давления прямой и отраженных волн соответственно.
После умножения на е]° решение принимает вид:
1 оХ-кх 11—^2 1 ал+кх 1—^2-
Пренебрегая отражением от "устья" — выходного отверстия рупора (случай бесконечного рупора), получим
Среднее значение р и колебательной скорости V будут[4]:
дг chрк+ashрк 2 2
где р — плотность воздуха.
Входное сопротивление рупора при х=0;
Разделяя действительную и мнимую часть, получим:
Частотные зависимости активной составляющей ¿вх для 2-х предельных случаев, при а=0 — гиперболический, при а=1 экспоненциальный рупор, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Частотные зависимости активной составляющей входного сопротивления различных рупоров: 1 — гиперболический; 2 — экспоненциальный;
3 — конический; 4 — параболический; 5 — гиперболической конечной длины
Кроме того для сравнения также показаны аналогичные кривые для конического и параболического рупоров [4]. Сравнительный анализ приведенных результатов показывает, что в области низких частот вблизи /Кр максимальным значением Явх обладает гиперболический рупор. Это обеспечивает оптимальную в случае согласований сопротивлений нагрузку ГГ, установленной на входе рупора. При выполнении условия о сравнимости размеров периметра "устья" с длиной волны, соответствующей /Кр, гиперболический рупор будет максимально эффективно излучать акустическую энергию на низких частотах по сравнению с рупорами других профилей. В реальных конечных рупорах наблюдается отражение звуковой волны от "устья", что приводит к возникновению в рупоре стоячих волн, вследствие чего частотная характеристика Явх и АЧХ по звуковому давлению имеет волнообразный вид (кривая 5 на рис. 2). Для выравнивания АЧХ следует покрывать стенки рупора, особенно вблизи "горла", звукопоглощающим материалом. По данным работы [4] , нелинейные искажения в гиперболическом рупоре будут выше чем в других рупорах из-за самой высокой скорости его раскрыва. По-
скольку при измерениях SPL на автоконкурсах нелинейные искажения не нормируются, при разработке конструкции автомобильного сабвуфера мы остановили свой выбор на гиперболическом рупоре.
С применением подхода, использованного при разработке экспоненциальных рупорных АС [2], и метода расчета фазоинвертора [1], была рассчитана и разработана конструкция рупорного автомобильного сабвуфера, схема которого представлена на рис. 3, установка в автомобиль — на рис. 4.
Рис. 3. Схема рупорного автомобильного сабвуфера
Рис. 4. Расположение сабвуфера в салоне автомобиля
В конструкции использованы 2 профессиональные НЧ ГГ, включенные параллельно, В&С Speaker12nw76, выбор которых в первую очередь был обусловлен рекордным уровнем характеристической чувствительности. Параметры каждой ГГ следующие: номинальная мощность — 500 Вт; максимальная мощность -1000 Вт; уровень характеристической чувствительности — 99 дБ; собственная резонансная частота — 38 Гц; полная добротность — 0.2; эквивалентный объем 75 дм3; номинальное сопротивление — 4 и 8 Ом; диаметр — 32 см; площадь диффузора — 550 см2. Передние стороны диф-
фузоров ГГ нагружены на свёрнутый рупор через предрупорную камеру, согласующую входное сопротивление рупора с механических сопротивлением ГГ. Задние стороны работают на фазоинвертор с пассивным излучателем (ПИ) [1], установленном в компрессионной камере. ПИ представляет собой диск из алюминиевого сплава на гибком подвесе, частота его настройки регулируется с помощью дополнительных грузов, размещенных в центре диска. Важно отметить, что салон автомобиля является частью рупорного акустического оформления и формирует вместе с боковыми стенками продолжение рупора, расширяющегося по гиперболе, а открытые передние двери позволяют достичь расчетной величины площади "устья" Бу и продлить рупор. Рассчитанные параметры рупора следующие: /Гр = /Кр = 58Гц; Укк = 60дм3; Упк = 6дм3;5Г = 450см2; 5у = 2.2м2; длина рупора — 2,4м. Параметры фазоинверто-ра: Кж = 60 дм3; диаметр ПИ — 30 см; площадь ПИ — 700 см2; частота настройки 32-45 Гц; масса ПИ — 180 г; гибкость подвеса ПИ — 6 • 10_5м/н.
Звуковая волна, излучаемая передними сторонами диффузоров, проходит путь до ПИ, и точки прослушивания или измерения SPL у переднего сидения, равный примерно половине длины волны, соответствующей /Кр (
3м). Учитывая, что ПИ на частоте настройки фазоин-вертора работает почти в фазе с передними сторонами, то результирующее звуковое давление должно возрасти. Все эти соображения необходимо учитывать при разработке сабвуферов под конкретные кузова (желательно большие и очень прочные).
Требования к корпусу сабвуфера максимально жёсткие: он должен быть прочным, жёстким и герметичным. Толщина стенок зависит от применяемых материалов, в случае использования берёзовой фанеры (лучше авиационной) их толщина должна быть не менее 3 см. Лучше использовать несколько слоев, склеенных клеем или компаундом, сохраняющими вязкость для поглощения вибраций корпуса и перегородок, обязательно применение усиливающих стяжек и ребер жёсткости. Объемы предрупорной и компрессионной камер ча-
стично заполнены звукопоглощающим материалом, внутренние стенки и перегородки рупора также покрыты звукопоглотителем. Снаружи корпус покрыт декоративным звукопоглощающим материалом — "карпетом", желательно, чтобы салон автомобиля тоже был отделан этим материалом.
Основные технические характеристики.
Основные технические характеристики установленного в автомобиле сабвуфера: номинальная мощность 1000 Вт; максимальная мощность — 2000 Вт; номинальное электрическое сопротивление — 2 и 4 ом; диапазон воспроизводимых частот 25-500 Гц; расчетный уровень характеристической чувствительности 118 дБ; расчетный SPL при номинальной подводимой мощности — 150 дБ [5]; габариты: высота — 76 см; ширина и глубина — 82 см; масса -не менее 40 кг.
По большинству параметров разработанное устройство превосходит аналоги, с другой стороны, рупорные автомобильные сабвуферы нам неизвестны.
Помимо автоустановок модификации сабвуфера с успехом могут быть использованы в качестве АС низкочастотной поддержки при озвучивании больших кино- и концертных залов, стадионов и открытых пространств.
1. Электроакустика и звуковое вещание: учеб. пособие для вузов / И.А. Алдошина, Э.И. Вологодин, А.П. Ефимов и др.; под ред. Ю.А. Ковалгина. М.: Горячая линия — Телеком, Радио и связь, 2007. 872 с.
2. Бадаев А.С., Гукин Д.В. Высококачественная рупорная акустическая система // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. С. 70-88.
3. Бадаев А.С. Полосовой громкоговоритель четвертого порядка // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 273-276.
4. Beranek L.L., Mellow T.J. Acoustics: Sound Fields and Transducers. Oxford GB: Acedemic Press, 2012. 678 p.
5. Алдошина И.А., Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. М.: Радиосвязь, 1985. 168 с.
Поступила 23.05.2018; принята к публикации 03.09.2018
Информация об авторах
Бадаев Андрей Станиславович — канд. физ.-мат. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-952-553-86-63, e-mail: andrbad56@yandex.ru Фомин Даниил Константинович — студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-950-775-10-12, e-mail: fom618@gmail.com
HIGHLY EFFICIENT HORNY AUTOMOBILE SUBWOOFER A.S. Badaev, D.K. Fomin Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the paper proposes a calculation technique and develops a horn car subwoofer design with high power, efficiency and maximum sound pressure level (SPL). The analysis of the frequency dependences of the active components of the input impedance Rin of the horns of different shapes obtained as a result of the solution of the Webster wave equation shows that the horn with a hyperbolic profile is the most effective for reproducing low frequencies (LF). In the low-frequency region near the critical frequency fcr, which determines the lower limiting reproduction frequency, the hypervalent horn possesses the maximum value Rin. This provides the optimal load, in case of matching the acoustic impedances, for the loudspeaker heads (LH) installed at the input of the speaker. When the condition on the comparability of the perimeter dimensions of the horn output opening — "mouth" to a wavelength corresponding to fcr is satisfied, the hyperbolic horn will effectively emit acoustic energy at the low frequency. Using a phase inverter with a passive radiator (PR) as a load for the rear sides of the diffusers of the GG, operating in a phase with the emission of the horn, allows to increase the SPL. Based on the proposed methodology, the design of a horned automotive subwoofer was designed and developed. The work shows higher technical characteristics of the developed subwoofer compared to analogues
Key words: acoustic systems (AS), subwoofer, speaker, bass reflex with passive radiator (PR), power, efficiency, SPL
Сделай саб: как самому сделать сабвуфер
Клубный календарь движется к своему пику: новогодние каникулы, Татьянин День, День Святого Валентина, 23 февраля/8 марта, и почти все. Оглянуться не успеешь, как клубный сезон закончится, и начнется сезон мероприятий на открытом воздухе. По итогам прошлого open air сезона многим действующим промоутерам и аппаратовладельцам захочется оснастить свою саундсистему* более серьезными сабвуферами. Одновременно общие тенденции таковы, что вовсе не хочется тратить много денег. Тем более что в нашей среде в достатке не только креативные умы, но и умелые руки. Да и как отказать себе в удовольствии сделать такие нужные вещи, как сабвуферы, своими руками, потом их оттестировать, а результат обсудить с коллегами (по другой версии – отпраздновать)?
* Статьей «Техника танцевальных саундсистем» («Шоу-Мастер» №2-2008 г.) мы открыли серию материалов, посвященных саундсистемам.
Рупорные сабвуферы
Не секрет, что энтузиасты танцевального звука и некоммерческих саундсистем предпочитают эффективные решения любым другим. Такие критерии, как модный дизайн, райдерность, туровость, компактность при перевозке и инсталляции учитываются в последнюю очередь. Бренды и шильдики здесь оказываются не так важны, как в коммерческих приложениях: если аппарат «звучит», «качает» и «рулится», то в родословную никто не заглядывает. Рупорную акустику вообще, и сабвуферы в частности, отмечают за высокую степень реализма и присутствия. И как только на первый план выходят звучание, отдача, эффективность и низкая затратность, становится ясно, что речь идет о рупорах. Хотя это еще как посмотреть: многие, если не большинство клубов и саундсистем с мировым именем, со своим стилем, традициями, служащие эталоном для профессионалов и любителей хорошего танцевального звука, имеют в оснащении как мелкосерийные решения или элементы, выполненные на заказ, так и целиком спроектированные и изготовленные (custom) авторские суббасовые системы, когда имя автора известно только специалистам. Другими словами в крутых клубах зачастую установлены не поточные коробки с раскрученными шильдиками на решетках, а рупоры-самоделки.
Экстремальные, особенно сложные рупорные решения, которыми неудобно торговать в розницу, редко производятся серийно. Рупоры имеют сравнительно большие размеры, дороги и сложны в серийном изготовлении, поставить на поток их производство и серьезно снизить расходы/увеличить прибыль не так уж легко, а транспортировка в другую страну/на другой континент недешева. Поэтому рупорные сабвуферы известных брендов представлены не слишком широко. Одновременно рупорные схемы сабвуферов привлекательны для самодельщиков. К тому же энтузиастам – самодельщикам вовсе не обязательно что-либо «передирать» у фирмачей или проектировать самостоятельно. В свободном доступе имеется множество отличных проверенных схем рупорных сабов (см. http://forum.show-master.ru/topic5361.html) достаточно повторить имеющиеся наработки. Зачастую можно получить консультацию автора разработки на сайте, почтой или попросить разъяснений в форуме у более опытных коллег, имеющих опыт построения таких систем, если что-то не ясно. Очень привлекательное сочетание для самодельщиков: в рупорных системах драйверов и усилителей нужно меньше, что ведет к снижению денежных затрат, а эффективность и качество достигаются исключительно своим умом и трудом.
Привлекательность рупоров
Максимальная эффективность басовых рупоров достигает 50%. Средние значения могут быть меньше, но и такие цифры смотрятся очень выигрышно на фоне фазоинверторов (2-5%). Исключительно высокая эффективность рупорных громкоговорителей вовсе не означает, что их главное достоинство – это возможность использовать усилители на небольшой мощности. Наоборот, рупорами мы можем нагрузить драйверы и усилители понастоящему, получить от них максимум без ущерба для условий эксплуатации. Принципиальным преимуществом, следующим из высокой чувствительности, является то, что амплитуда перемещения диафрагмы головки громкоговорителя будет существенно меньшей, чем для всех остальных видов оформления. Поэтому резко снижаются искажения, вызванные большой амплитудой смещения диффузора. Поскольку грамотно спроектированный рупор сам по себе искажений почти не вносит, излучаемый звук оказывается очень высокого качества.
Немного терминологии и теории
В рупоре (horn) говорят о горле (throat), самом узком месте ближе к драйверу, и устье, раструбе или рте (mouth) – самом широком месте, выходной части рупора, из которой «дует» на слушателя. У рупора есть ось (axis), длина (length), которая меряется по оси, и нижняя граничная частота Fs.
Рупор это акустический трансформатор, преобразовывающий акустическую энергию высокого давления и низкой колебательной скорости в районе горловины в низкое давление и высокую скорость в раструбе. Основные требования акустического рупора таковы:
• Горло должно быть правильно согласовано с источником сигнала (драйвером).
• Выходное отверстие должно быть правильно согласовано с нагрузкой в виде объема воздуха в помещении либо рассчитано при работе в стеке – в составе группы басовых рупоров
• Рупор должен функционировать в определенном диапазоне входной мощности и частоты.
• Для басовых рупоров очень важна жесткость конструкции (деформация кабинета должна быть минимальна).
• Рупор с площадью горловины существенно меньшей площади диффузора драйвера обладает большим КПД и называется узкогорлым.
• Рупор с горловиной, равной или большей площади диффузора называют широкогорлым. В начале своей истории басовые рупоры в восновном были широкоголыми. Основная причина тому – не было динамиков с мощным «мотором».
• Басовый рупор эффективен в диапазоне 2-4 октав. При попытке расширения диапазона рупора резко растет неравномерность по краям диапазона, увеличиваются искажения, и падает отдача.
• Верхняя граничная частота определяется, помимо прочего, объемом предрупорной камеры. При увеличении ее объема – начинается спад в верхней части диапазона а при уменьшении – происходит расширение полосы в верхней части диапазона. Таким образом, предрупорная (компрессионная) камера является акустическим фильтром со спадом 6 дБ/октаву.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой увеличивается по математическому закону в зависимости от расстояния от горловины до раструба. Низконастроенный одиночный рупорный саб должен иметь раструб очень большой площади (2-3 кв. м) и проточную часть, по крайней мере, 6 м. Такие цифры выглядят непрактично, поэтому, чтобы рупор помещался в корпус саба разумных размеров, его сворачивают и называют «свернутый рупор» (folded horn), делают прямоугольным в сечении и иногда раздваивают (bifurcated horn). Ось рупора и проточная часть при этом приобретают профиль. Свернутые рупоры нам знакомы еще со времени перехода от граммофонов на патефоны.
Таким образом, четыре основных параметра рупора: площадь рта, площадь горла, математическая формула профиля расширения и длина. Любые три из них определяют четвертый и, следовательно, непосредственно характеристики рупора. Нужно отметить, что многократные отражения, поглощения, резонансы и изменения направления в свернутых рупорах в сочетании с труднопредсказуемостью работы секций некруглого сечения дают расхождения с поведением идеализированной модели прямого круглого рупора, которая поддается математическому обсчету по четырем параметрам рупора. Как только выбирается сечение некруглой формы, и ось отличается от прямой, проблема усложняется настолько, что математических и физических концепций для проектирования уже оказывается недостаточно. Однако основные характеристики даже свернутых рупоров определены известными акустическими принципами, и любое отклонение от теории остается обоснованным. Надо заметить, что басовые рупоры в сравнении с ВЧ/СЧ-рупорами наименее чувствительны к целому ряду отклонений от расчетных данных.
Частота среза Fs является самой низкой частотой, при которой рупор передает акустическую мощность, поэтому постоянная расширения определяет низшую воспроизводимую частоту конкретного рупора. Постоянная расширения может быть рассчитана для любой выбранной частоты среза, на ее основе выбирается профиль рупора. Когда рот меньше длины волны, отражения в раструбе вызывают нежелательные пики и провалы амплитудно-частотной характеристики вблизи нижней граничной частоты. Если размеры рта сильно ограничены, увеличивают нижнюю граничную частоту до значения, соответствующего размеру рта, во избежание неравномерности в самом низу АЧХ. Раструб является сопряжением рупора с окружающим пространством, если длина рупора не является бесконечной, рано или поздно звуковая волна покидает рупор. Для идеального сопряжения выходное отверстие должно иметь бесконечную площадь. Однако если его периметр в 4 раза больше длины волны на нижней рабочей частоте, то его акустическое сопротивление от бесконечно большого рупора будет отличаться несущественно. Если принять уменьшение сопротивления в 6 дБ, периметр выходного отверстия может быть равным длине волны на частоте среза. По мере уменьшения площади ниже Sm=lc в квадрате/4 p, где lc – длина волны Fc, нелинейность акустического сопротивления значительно растет.
Но если учитывать размещение в помещении (посреди танцпола, у стены или в углу) рупор с частотой среза 56 Гц (длина волны 6,1 м) потребовал бы раструба площадью 3 кв. м в случае свободного пространства, 0,74 кв. м при размещении у стены, и всего 0,37 кв. м в углу, при этом отклонение акустического сопротивления будет меньше, чем 6 дБ.