Расчёт разделительных фильтров. Расчет и конструирование акустических систем

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

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

Малогабаритные колонки для качественного воспроизведения звука

Расчет закрытого ящика (Версия 2)

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

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

Расчет фазоинвертора

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

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

FAQ по динамикам и сабвуферам

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

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

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

Звук в конце тоннеля

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

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

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

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

Заряжаем....

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

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

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

• Предыдущая

Динамики в акустических системах должны быть подключены таким образом, чтобы на каждый из них поступало напряжение только тех частот, которые он должен воспроизводить. Это достигается тем, что в звуковой тракт включается электрический фильтр, который обеспечивает подавление сигнала нежелательных частот. Применение фильтра в АС обусловлено необходимостью выполнения 2-х основных задач:

• ограничение полосы воспроизводимых частот, для устранения избыточного звукового давления;
• ограничение полосы частот, которая способна вызвать повреждение динамика (например, проникновение НЧ сигнала на ВЧ динамик);

Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры включаются между усилителем и акустической системой и монтируются внутри последней. Пассивные фильтры имеют фиксированные характеристики и не имеют возможностей регулировки параметров в процессе эксплуатации системы.

Активные фильтры (активные кроссоверы) включаются между источником сигнала и усилителем. К достоинствам активных фильтров можно отнести более гибкие возможности регулировки параметров. Среди недостатков – необходимость использования отдельного канала усиления для каждой отфильтрованной полосы частот.

В реальных звуковых комплексах часто комбинируют эти два типа фильтров.

Расчёт пассивного фильтра

Фильтр АС представляет собой совокупность электрических цепей предназначенных для ограничения определённых частот, поступающих на динамики.

Фильтры встречаются следующих типов (см. рис.1):

• Фильтр высоких частот (ФВЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика снизу;
• Фильтр низких частот (ФНЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху;
• Полосовой фильтр (ПФ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху и снизу;
• Комбинированный тип – представляет собой сочетание вышеуказанных типов.

Фильтр характеризуется частотой раздела и величиной порядка (1-го порядка, 2-го порядка и т.д.) Порядок фильтра определяет крутизну спада АЧХ в полосе заграждения, и определяется количеством реактивных элементов в электронной схеме. Каждый реактивный элемент, добавленный в схему, увеличивает порядок фильтра на единицу и, соответственно, крутизну спада характеристики на 6дБ/окт. Реактивные элементы фильтра представляют собой индуктивности (катушки) и емкости (конденсаторы), соединённые по определённой схеме. Номиналы реактивных элементов определяют частоту среза фильтра.

Для подавления избыточной чувствительности динамика в схему добавляется аттенюатор (делитель напряжения). Данная мера применяется для приведения чувствительностей динамиков в АС к единому уровню. Чувствительность НЧ динамика обычно может составлять 95-100дБ, в то время как типовое значение чувствительности ВЧ динамика может достигать 110дБ. Очевидно, что необходимо понизить чувствительность ВЧ динамика до уровня чувствительности НЧ. Если номинальные сопротивления НЧ и ВЧ динамиков равны, то необходимое подавление будет равно разности чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков. Расчёт несколько осложняется, если номинальные сопротивления динамиков не равны, т.к. в этом случае следует пересчитать чувствительность ВЧ динамика для номинального сопротивления, равного номинальному сопротивлению НЧ. Принцип пересчёта будет рассмотрен ниже.

Расчёт фильтра для 2-х полосной акустической системы

Обратим внимание, что расчёты способны дать приближённый результат, который можно использовать в качестве исходного варианта для изготовления макета фильтра. Как правило, изготовленный на основании расчётов фильтр, требует доработки на реальной АС, которая заключается в более оптимальном подборе электрических компонентов. Окончательная оценка фильтра формируется на основании измерений АЧХ и в результате прослушивания АС на разных фонограммах.

Рассмотрим распространённый вариант фильтра, реализованный во многих 2-х полосных полнодиапазонных АС.

Электрическая схема акустической системы с таким фильтром представлена на рис.2.

Особенностью схемы является то, что НЧ динамик в такой АС работает «в широкую полосу», а диапазон воспроизведения ВЧ динамика ограничен со стороны низких частот с помощью ФВЧ 3-го порядка, что обеспечивает спад характеристики в полосе заграждения 18 дБ/окт. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подавление избыточной чувствительности ВЧ динамика. Номинал R2 выбирается равным или в 2 – 3 раза больше номинального сопротивления ВЧ динамика (Zвч). Данная схема проста в реализации, имеет малый вес и габариты, низкую стоимость компонентов. Необходимо отметить, что данная схема может быть реализована, только при условии, что неравномерность АЧХ НЧ динамика не превышает допустимого значения во всём его рабочем диапазоне.

Обычно конструирование фильтра начинается с анализа АЧХ динамиков и выбора оптимальной частоты раздела. Расчёт фильтра сводится к определению номиналов элементов электрической схемы фильтра.

Расчёт фильтра включает следующие этапы:

1.Определение величины подавления избыточной чувствительности ВЧ (ослабление):

2.Расчёт номиналов элементов делителя:

3.Расчёт номиналов реактивных элементов:

4.Расчёт мощности, рассеиваемой на элементах:

Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.

Для удобства расчёта фильтров по описанному алгоритму на нашем сайте имеется специальный калькулятор. Используя его, вам не составит труда рассчитать фильтр для вашей АС. При расчёте используются исходные данные и выражения, которые рассматривались выше.

Номинальное сопротивление НЧ звена, Ом 8 Z_low 2 4 16 32

Чувствительность НЧ звена, дБ

Футляр без задней стенки

Основная частота резонанса такого футляра

где I - глубина ящика, м; S - площадь отверстия, м 2 . Увеличение акустической мощности на основной частоте резонанса на 3-6 дБ при сравнительно плоских и 6-10 дБ при глубоких футлярах придает изучаемому звуку неестественный тембр. Если fЯ = fГ, то увеличение акустической мощности на нижних частотах наиболее значительно. Целесообразно использовать громкоговоритель с частотой резонанса ниже частоты резонанса ящика; наиболее часто встречается соотношение fГ / fЯ = 0,5 - 0,7.

Футляр без задней крышки как акустическое оформление в высококачественных системах воспроизведения в настоящее время не используют. Если же нет альтернативы, то футляр должен быть возможно более плоским. Футляр без задней крышки с громкоговорителем следует располагать не ближе 20 см от стены, которую рекомендуется задемпфировать тяжелым ковром. Если громкоговоритель должен быть размещен вдоль одной из стен, то желательно вдоль короткой, ближе к ее середине.

Расчет закрытого футляра

Установка громкоговорителя в закрытом футляре достаточно большого объема позволяет получить удовлетворительное воспроизведение нижних частот, так как передняя сторона диффузора полностью защищается от излучения задней стороны. Это приводит к более медленному уменьшению акустической мощности на нижних частотах, чем при установке громкоговорителя в акустическом экране конечных размеров.

Частоту резонанса громкоговорителя, установленного в закрытом футляре средних размеров fР при условии, что громкоговоритель занимает менее трети площади стенки, на которой он укреплен, определяют в следующем порядке:

1) определяют гибкость подвесов подвижной системы громкоговорителя СР;

2) вычисляют гибкость объема воздуха ь футляре по формуле

где V - объем воздуха в футляре, м 3 , равный его внутреннему объему за вычетом объема громкоговорителя, который в первом приближении равен 0,4 d4; d - диаметр диффузора, м;

3) по отношению СГ / СВ с помощью номограммы на рис. 4-20 определяют отношение fР / fГ, обеспечиваемое футляром данного объема V. Частоту механического резонанса громкоговорителя в акустическом экране можно взять из табл. 4-11.

Если нужно с имеющимся громкоговорителем получить акустическую систему в виде закрытого футляра с резонансной частотой fР, то требуемый объем футляра определяют в следующем порядке:

1) берут значение резонансной частоты громкоговорителя fГ в акустическом экране из табл. 4-11;

2) определяют гибкость подвесов подвижной системы громкоговорителя СГ;

3) задавшись желаемым отношением fР / fГ, определяют по графику на рис. 4-20 соответствующее ему отношение СГ/СВ и находят требуемую гибкость объема воздуха Сд в закрытом футляре;

4) вычисляют требуемый объем воздуха внутри футляра в кубических метрах по формуле

Полный внутренний объем футляра получают, добавив к вычисленному значению V объем громкоговорителя.

Если значение fГ неизвестно или затруднительно его определить в акустическом экране достаточно большого размера, то можно измерить частоту механического резонанса громкоговорителя fБ, без экрана и при расчете пользоваться кривой fР / fБ на рис. 4-20.

Приведенный расчет справедлив лишь для частот f<; 40/L (L - глубина футляра в метрах). В связи с этим заднюю сторону диффузора громкоговорителя в закрытом футляре нужно защищать от отраженных внутренними стенками звуковых волн, соответствующих более высоким частотам, покрытием этих стенок звукопоглощающим материалом.

Габариты закрытого футляра можно уменьшить, заполнив его стекловатой или другим подобным материалом. Такое заполнение равносильно увеличению объема футляра на 40%.

Если полученная расчетом частота /р достаточно низка, то громкоговоритель должен иметь Q около 1. Если же частота fР недопустимо высока, то хорошие результаты получаются при снижении добротности до значения Q около 0,1; при этом, конечно, необходим подъем нижних частот в усилителе примерно на 6 дБ/октава начиная с частоты

Расчет фазоинвертора

Фазоинвертор представляет собой футляр 1 (рис. 4-21) с дополнительным отверстием 3, расположенным рядом с укрепленным на той же стенке громкоговорителем 2 и имеющим площадь, как правило, равную площади диффузора. Задавшись глубиной фазоинверсного отверстия, отношением его сторон, подсчитав эффективную площадь диффузора (определяющую площадь отверстия) и принимая резонансную частоту фазоинвертора fФ = fГ, по номограмме на рис. 4-22 можно определить требуемый объем футляра.

Расстояние от конца туннеля до задней стенки ящика не должно быть менее dГ /2.

На частоте fФ фазоинвертор можно рассматривать как акустический трансформатор, улучшающий согласование громкоговорителя с воздушной нагрузкой. Хотя акустическая мощность, отдаваемая передней стороной диффузора, уменьшается на этой частоте, общая акустическая мощность может возрасти значительно. Вместе с тем существенно уменьшаются нелинейные искажения и увеличивается номинальная мощность громкоговорителя вследствие уменьшения амплитуды смещения диффузора..

Глубина фазоинверсного отверстия может варьироваться от толщины стенки футляра (рис. 4-21, а) до величины, приблизительно равной 30 / fФ при использовании туннеля 5 (рис. 4-21, б). Значительная длина туннеля позволяет применить маленький ящик.

На частотах ниже fФ реакция гибкости воздушного объема увеличивается и образует жесткую связь между массой воздуха в отверстии и массой подвижной системы громкоговорителя. Масса воздуха, таким образом, прибавляется к массе подвижной системы и вместе с гибкостью подвесов образует механический контур с резонансной частотой f1 < fФ. Когда диффузор на этой частоте смещается вперед, воздух в отверстии движется назад (и наоборот) и эффективность излучения ничтожна.

На частотах выше fФ, сопротивлениемассы воздуха в отверстии становится высоким и фазоинвертор можно рассматривать как полностью закрытый футляр. Жесткость воздушного объема прибавляется к жесткости подвесов и вместе с массой подвижной системы образует контур с резонансной частотой f2 > fФ. Излучение фазоинверсным отверстием на частоте f2 весьма мало.

Полное электрическое сопротивление громкоговорителя RГ в фазоинверторе имеет обычно два максимума (сплошная кривая на рис. 4-23) на частотах f1 и f2 , расположенных по обе стороны от частоты резонанса громкоговорителя в плоском акустическом экране fГ (штриховая линия на рис. 4-23, где R - сопротивление катушки громкоговорителя постоянному току).

Пики полного сопротивления громкоговорителя в фазоинверторе существенно ниже пика громкоговорителя в акустическом экране, однако соответствующие им значения Q1 и Q2 выше Qr - громкоговорителя в акустическом экране. Этот недостаток особенно сильно проявляется на частоте f1 , так как увеличение скорости движения диффузора приводит к увеличению нелинейных искажений, заметности которых способствует отсутствие полезного излучения на этой частоте. С этим явлением можно бороться ограничением выходной мощности усилителя на частотах, близких к f1 .

Если желательно, чтобы частотная характеристика громкоговорителя в фазоинверторе была горизонтальна в нижней части рабочего диапазона частот, начиная от /г, то необходимо выполнить условие QГ = 0,6.

При увеличении QГ значение Qg возрастает, а значение QФ, уменьшается и это вызывает неравномерность частотной харак-терисгики. Если уменьшить Qr нет возможности, то необходимо хотя бы подавить пик частотной характеристики на частоте f2, возникающий при QГ > 0,6 . Это достигается введением в ящик звукопоглощающего материала 4 (см. рис. 4-21). Иногда весь объем заполняют стекловатой. В этом случае площадь фазоинверсного отверстия, полученную расчетом по номограмме на рис. 4-22, следует увеличить в 2,5 раза.

Введение в фазоинвертор большого коли-чества звукопоглощающего материала приводит к ослаблению излучения нижних частот, и при желании продлить характеристику в сторону этих частот, хотя бы до fГ, следует обеспечить существенный подъем нижних частот в усилителе.

Настройка фазоинвертора производится изменением площади отверстия (например, пластиной, укрепленной так, чтобы ее поворот изменял площадь отверстия) или глубины туннеля. Необходимо стремиться к тому, чтобы частотный интервал, разделяющий резонансные пики полного сопротивления, не отличался значительно от октавы; амплитуды пиков были равны; любые дополнительные пики, вызванные возникновением стоячих волн в ящике, ликвидировались путем добавления демпфирующего материала.

Преимущество фазоинвертора в сравнении с закрытым ящиком того же объема состоит в увеличении акустической мощности приблизительно на 5 дБ в диапазоне от одной до двух октав и в уменьшении нелинейных искажений в диапазоне частот fФ - 2/ф при той же акустической мощности.

Недостатком фазоинвертора являются более быстрое уменьшение акустической мощности на частотах ниже fФ, чем в закрытом ящике, и необходимость настройки.

Конструирование футляров

В футляре, где смонтирован громкоговоритель, на одной или нескольких частотах звукового диапазона возможен резонанс, приводящий к неприятному изменению тембра звуковоспроизведения. Это явление проявляется наиболее сильно в частично или полностью закрытых футлярах.

Уменьшению вибраций стенок способствует применение материалов с большой плотностью. Используемая для этих целей фанера должна иметь толщину не менее 20 мм. Хороший результат дает сухой речной песок, засыпаемый между двумя тонкими фанерными листами. Стенки, в особенности задняя и частично передняя, должны быть усилены деревянными брусками. Возможно использование древесно-стружечной плиты.

Демпфирование стенок футляра

Внутренние поверхности футляра 1 (рис. 4-24) покрыты слоем звукопоглощающего материала 6 толщиной не менее 10 мм (или одна из пар параллельных поверхностей слоем двойной толщины). Однако стоячие волны на нижних частотах при этом не устраняются.

Лучший результат дает разделение объема футляра одной или несколькими звукопоглощающими перегородками 2, например, из войлока толщиной 5-10 мм. Секции ящика, которые отделены от громкоговорителя одной или несколькими перегородками, в этом случае требуют очень слабой акустической обработки. Верхнечастотный громкоговоритель 4 должен быть защищен от излучения задней стороны диффузора нижнечастотного громкоговорителя несколькими слоями звукопоглощающего материала, или металлическим колпаком 5. Нижнечастотный громкоговоритель 3 размещается внизу футляра.

Размещение громкоговорителя

Отверстие, в котором размещается громкоговоритель, ведет себя как труба, длина которой равна толщине стены или доски. Резонансы и антирезонансы этой трубы, а также отражения от краев отверстия вызывают неравномерность частотной характеристики. Очевидные рекомендации: скашивание краев отверстия или установка громкоговорителя в более тонком экране, который затем размещается в стене или в экране нормальной толщины.

Форма ящика

На нижних частотах громкоговоритель излучает сферические волны, и ребра ящика, особенно те, которые составляет фронтальная стенка, образуют препятствия на пути звуковых волн. Это вызывает искривление фронта волны (дифракцию) и вторичное излучение от ребер, что приводит к возникновению интерференционных явлений, вызывая появление на частотной характеристике пиков и провалов до ± 5 дБ. С точки зрения борьбы со вторичным излучением идеальная форма - сфера, худшая - куб с громкоговорителем в центре одной из сторон. Прямоугольный параллелепипед с громкоговорителем, размещенным ближе к одной из коротких сторон - предпочтительнее куба. Однако лучшее приближение к идеалу дает прямоугольная усеченная пирамида, поставленная на прямоугольный параллелепипед (рис. 4-25). При любой форме желательно, чтобы ящик имел различные значения линейных размеров; ни один из линейных размеров не был много больше или много меньше других; наибольший размер ящика не должен превышать 1/4 длины волны нижней частоты рабочего диапазона.

Декоративная ткань не должна вызывать значительных потерь акустической мощности. Наиболее пригодна ткань из твердых, крепких (хлопчатобумажных или пластиковых) свободно переплетенных нитей. Применение тканей из мягких и пушистых нитей нежелательно.

Соединение в группы и фазирование громкоговорителей

Групповое соединение образуют несколько одинаковых громкоговорителей, размещенных близко один к другому в одном акустическом экране. Группа громкоговорителей имеет большую площадь излучения на нижних частотах (что потребовало бы при использовании одного громкоговорителя значительного увеличения размеров и массы подвижной системы); вместе с тем сохраняются преимущества отдельного громкоговорителя со сравнительно легкой подвижной системой -с точки зрения переходного режима и воспроизведения высоких частот.

Сопротивление воздуха излучению каждого громкоговорителя группы возрастает на нижних частотах в п раз (га - число громкоговорителей в группе). Это позволило бы получить значительный выигрыш в акустической мощности, если бы одновременно не увеличивалась в кв.корень из n раз масса соколеблюще-гося воздуха. В результате при п == 2 -:- 4 акустическая мощность увеличивается значительно, но все же не в я раз (при той же электрической мощности), а дальнейшее возрастание п выигрыша почти не дает.

Увеличение массы соколеблющегося воздуха понижает частоты резонанса каждого громкоговорителя группы и, следовательно, расширяет рабочий диапазон частот, особенно значительно при большом я.

Наиболее удовлетворительное соединение громкоговорителей в группу - параллельное; тогда Q системы не будет отличаться от QГ. Если необходимо, чтобы сопротивление группы было равно сопротивлению одного громкоговорителя, то с точки зрения лучшего Q группы лучше применить последовательно-параллельное соединение громкоговорителей (число которых должно быть равно n2, где п = 1, 2, 3 ...). При любом соединении громкоговорителей в группу они должны быть правильно сфазированы: при подключении источника постоянного тока (например, низковольтной батареи) к входным зажимам диффузоры всех громкоговорителей должны смещаться в одном направлении. Изменение направления смещения диффузора громкоговорителя производится изменением порядка включения его входных концов.

Если размещение группы громкоговорителей в закрытом ящике встречает затруднение - требуемый объем футляра по расчету получается недопустимо большим, то громкоговорители можно разместить в малом акустическом экране или ящике меньшего объема, заполненном поглощающим материалом, компенсируя ослабление излучения на нижних частотах соответствующей коррекцией в усилителе.

К недостаткам группового соединения относится значительная нерегулярность частотной характеристики и характеристики направленности на верхних частотах.

Двух- и трехполосные акустические системы

Выбор громкоговорителей. Звуковоспроизведение с качеством по классу I обычно можно получить, применяя широкополосный громкоговоритель, например 4ГД4, 4ГД7 или 4ГД28, либо разделяя полный диапазон частот, соответствующий этому классу, на две полосы. Для обеспечения звуковоспроизведения с качеством по классу "высший" встречается необходимость разделять полный диапазон на три полосы.

Номинальный диапазон частот громкоговорителя, предназначаемого для воспроизведения той или иной полосы, должен быть шире этой полосы на две октавы при использовании фильтров с крутизной 6 дБ/октава и на одну октаву при использовании фильтров с крутизной 12 дБ/октава. Частоту разделения двухполосной системы выбирают обычно от 400 до 1 200 Гц. В трехполосной системе нижнечастотное звено может работать до 300-600 Гц, среднечастотное - до 2 000- 5 000 Гц.

Вблизи частоты разделения часто возникают значительные искажения, вызванные совместной работой громкоговорителей. Если расстояния от каждого из громкоговорителей до слушателя неравны, то частотная характеристика системы может иметь значительную неравномерность, определяемую фазовыми соотношениями приходящих сигналов.

Разделительные фильтры. Наиболее простое подключение верхнечастотного громкоговорителя - через конденсатор, защищающий верхнечастотный громкоговоритель от перегрузки на нижних частотах. Такое включение применяется, когда основной громкоговоритель имеет недостаточно широкий частотный диапазон. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле

где fР - частота разделения, Гц; RР - полное сопротивление громкоговорителя на частоте fР, Ом.

При правильно построенном фильтре каждый громкоговоритель должен работать лишь в той области частот, на которую он рассчитан. Потери в фильтре в полосе пропускания должны быть минимальными.

Индуктивности и емкости фильтра при различной крутизне среза, которая определяется как изменение затухания при изменении частоты на октаву, вычисляются по следующим формулам.

В формулах (4-11) и (4-12) индуктивности имеют размерность миллигенри и емкости - микрофарад.

На основе расчета выбирают конденсаторы с ближайшими большими номинальными стандартными емкостями. Для подбора емкости возможно параллельное соединение нескольких конденсаторов. Очевидно, что при отклонении емкости конденсатора от полученной расчетом величины частота разделения будет" отличаться от заданной.

Если для фильтра нужны емкости порядка десятков микрофарад и выше, то с целью уменьшения его габаритов целесообразно использовать электролитические конденсаторы. Так как последние полярны, а будут работать в цепи переменного тока, то в каждом звене фильтра придется применить по два встречно включенных конденсатора, каждый из которых должен иметь емкость, возможно более близкую к полученной расчетом. В звеньях разделительного фильтра бестрансформаторного транзисторного усилителя можно применить по одному электролитическому конденсатору, соблюдая правильную полярность их включения.

Фильтр для трехполосного акустического агрегата (рис. 4-28) представляет собой комбинацию двух рассмотренных выше фильтров. Первый отделяет нижнечастотную область от среднечастотной; последняя затем делится вторым фильтром. Оба фильтра не должны иметь одинаковую крутизну среза; они должны лишь рассчитываться для одного сопротивления.

Методика расчета разделительных фильтров базируется на предположении равенства и активного характера громкоговорителей в разделяемых полосах. Так как полное сопротивление громкоговорителя на частоте разделения может иметь значительную индуктивную составляющую, во избежание частотных искажений в области перекрытия следует учитывать при расчете индуктивность средне- и нижнечастотного громкоговорителей как часть фильтра, т. е. изготовлять катушку фильтра, включаемую последовательно с громкоговорителем, с индуктивностью меньше расчетной на индуктивность громкоговорителя.

Если сопротивления громкоговорителей в звеньях многополосной системы не равны, то следует попытаться подобрать равные сопротивления звеньев путем группового соединения (допустимо последовательное соединение верхнечастотных громкоговорителей) .

Параллельное соединение двух-трех верхнечастотных громкоговорителей дает возможность использовать их в сочетании практически с любым нижечастотным громкоговорителем. Возможное расхождение в величинах полных сопротивлений звеньев акустической системы может быть устранено увеличением входного сопротивления верхнечастотного звена с помощью делителя напряжения из резисторов.

Если в двух- или трехзвенной системе используется несколько верхнечастотных громкоговорителей (например, 1ГД-3), то их следует располагать в футляре так, чтобы угол между их осями в горизонтальной плоскости имел величину около 20-30°.

Если же в многополосной звуковоспроизводящей системы используется только один верхнечастотный громкоговоритель, имеющий полное сопротивление больше, чем у громкоговорителя нижнечастотного звена, то с целью выравнивания сопротивления нагрузки разделительного фильтра в области верхних частот верхнечастотный громкоговоритель следует шунтировать резистором соответствующего сопротивления.

Стереофонические акустические системы

Громкоговорители двухканальной стереофонической системы должны быть строго идентичны. Их следует располагать в соответствии с рис. 4-29, где зона оптимального"" стереофонического эффекта заштрихована.

Ориентирование громкоговорителей зависит от их характеристик направленности и должно быть определено экспериментально. Оси громкоговорителей не должны пересекаться в зоне расположения слушателей.

Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Читайте и пишите полезные

Расчет кроссовера для акустики75

Расчет кроссовера для акустики, как известно, очень важная операция. На свете не существует идеальных акустических систем, способных воспроизводить частотный диапазон полностью.
И тогда на помощь приходят отдельные участки спектра динамиков. К примеру, если надо воспроизводить НЧ, применяют сабвуфер, а чтобы воспроизвести ВЧ, устанавливают мидбасы.
Когда все эти динамики вместе взятые начинают играть, то может произойти путаница перед поступлением на тот или иной излучатель. По этой причине и необходим бывает активный или пассивный кроссовер для акустики.
В этой статье мы узнаем, для чего нужен расчет фильтра, рассмотрим пассивные кроссоверы, узнаем как они строятся на катушках индуктивности и конденсаторах.

Расчет кроссовера

Чтобы подключить 2-полосную(см.) или другую акустику с большим количеством полос к 1 каналу усилителя или ГУ, нужно некое отдельное устройство, разделяющее сигнал. При этом оно должно выделять для каждой полосы свои частоты. Именно такие устройства и называются фильтрами или кроссоверами.

Примечание. В комплекте с компонентной акустикой, как правило, уже идет пассивный кроссовер. Его готовил производитель и он рассчитан уже изначально.

Но что делать, если нужно разделить частоты по иной схеме (к примеру, если комплект акустики собран из отдельных компонентов)?
В этом случае речь идет о расчете кроссовера.Отметим сразу, что рассчитать кроссовер совершенно не сложно и даже можно самостоятельно изготовить его.

Ниже приводится инструкция о том, как рассчитать кроссовер:

• Скачиваем специальную программу. Это может быть Crossover Elements Calculator на компьютер;

• Вводим сопротивления низкочастотного и высокочастотного динамиков. Сопротивление – это номинальное значение сопротивления акустики, выражаемое в Ом. Как правило, средним значением является 4 Ом;
• Вводим частоту раздела кроссовера. Здесь полезно будет знать, что частоту надо вводить в Гц, но ни в коем случае не в кГц.

Примечание. Если кроссовер второго порядка, то надо еще ввести тип кроссовера.

• Получить ожидаемый результат можно, нажав на кнопку расчета.

Кроме того, надо знать следующее:

• Емкость конденсаторов, а вернее их значение вводится в Фарадах;
• Индуктивность рассчитывается в Генри (mH).

Схема расчета фильтра выглядит примерно так:

Фильтры разного порядка

Чтобы ясно понимать схему расчета кроссовера(см.), нужно понимать разницу между фильтрами разного порядка. Об этом и пойдет речь ниже.

Примечание. Существуют несколько порядков кроссовера. В данном случае порядок означает параметр кроссовера, который характеризует его способность ослаблять не нужные частотные сигналы.

Первый порядок

Схема 2-х полосного кроссовера этого порядка выглядит следующим образом:

По схеме видно, что ФНЧ или фильтр низких частот построен на катушке индуктивности, а фильтр высоких частот – на конденсаторе.

Примечание. Такой выбор компонентов не случаен, так как сопротивление катушки индуктивности повышается прямо пропорционально увеличению частоты. А вот что касается конденсатора, то здесь обратно пропорционально. Получается, что такая катушка отлично пропускает НЧ, а конденсатор отвечает за пропуск ВЧ. Все просто и оригинально.

Следует также знать, что кроссоверы первого порядка, а вернее их номинал, зависит от выбранной частоты разделения и величины сопротивления колонки. Проектируя ФНЧ, надо в первую очередь обратить внимание на частоту среза НЧ и СЧ динамиков(см.).
А вот проектируя ФВЧ, надо аналогичным образом поступить уже с ВЧ.

Пассивный кроссовер

Наиболее доступной на сегодня считается именно пассивная фильтрация, так как она сравнительно проста в реализации. С другой стороны, не все так просто.
Речь идет о следующих недостатках:

• Согласовать параметры и значение фильтров с характеристиками излучателей колонок очень сложная штука;
• В процессе эксплуатации может наблюдаться нестабильность параметров . К примеру, если повысится сопротивление звуковой катушки при нагреве. В связи с этим значительно ухудшится достигнутое в процессе разработки согласование;
• Фильтр, обладая внутренним сопротивлением, забирает некоторую часть выходной мощности усилителя. Одновременно с этим ухудшается демпфирование, а это сказывается на качестве звучания и четкости передачи нижнего регистра.

Как известно, на сегодняшний день самыми распространенными акустическими системами считаются 2-х компонентные варианты.
В них фильтр разделяет звуковой сигнал на два диапазона:

• Первый диапазон предназначается исключительно для низких и средних частот. В данном случае используется кроссовер для нижних частот или ФНЧ;
• Второй диапазон предназначен для ВЧ. Здесь уже используется другой фильтр ФВЧ.

Примечание. Вариантов реализации фильтра может быть несколько, но он все должно отвечать определенным канонам.

Ниже приводится список требований, которым обязательно должен соответствовать кроссовер:

• Фильтр не должен оказывать влияния на частотный спектр и волну выходящего аудиосигнала;
• Должен создавать для усилителя, независимую от частоты нагрузку активного характера;
• Должен суметь обеспечивать вместе с акустическими системами формирование диаграммы направленности. Это должно быть реализовано так, чтобы до слушателя доходило максимум излучения.

Из статьи мы узнали, как проводится расчет кроссовера акустических систем своими руками. В процессе работ будет полезно также изучить схемы, посмотреть видео обзор и фото – материалы.
Если научиться самостоятельно рассчитывать фильтр, платить за услуги специалистам не придется. Таким образом, цена операции сводится к минимуму, ведь надо только приложить немного терпения и уделить некоторое время изучению.

Оптимизация расположения громкоговорителей в комнате прямоугольной формы

Для достижения высокого качества звуковоспроизведения, акустические характеристики комнаты для прослушивания необходимо приблизить к определенным оптимальн м значениям. Это достигается формированием "акустически правильной" геометрии помещения, а также с помощью специальной акустической отделки внутренних поверхностей стен и потолка.

Но очень часто приходится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. При этом собственные резонансы помещения могут крайне негативно повлиять на качество звучания аппаратуры. Вважным инструментом для снижения влияния комнатных резонансов является оптимизация взаимного расположения акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

Предлагаемые калькуляторы предназначены для расчетов в прямоугольных симметричных помещениях с низким фондом звукопоглощения.

Применение на практике результатов данных расчетов позволит уменьшить влияние комнатных мод, улучшить тональный баланс и выровнять АЧХ системы "АС-комната" на низких частотах.
Необходимо отметить, что результаты расчетов не обязательно приводят к созданию "идеальной" звуковой сцены, они касаются только коррекции акустических дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов.
Но результаты расчетов могут стать хорошей отправной точкой для дальнейшего поиска оптимального месторасположения АС с точки зрения индивидуальных предпочтений слушателя.

Определение площадок первых отражений

Слушатель, находящийся в комнате для прослушивания музыки, воспринимает не только прямой звук, излучаемый акустическими системами, но и отражения от стен, пола и потолка. Интенсивные отражения от некоторых участков внутренних поверхностей комнаты (площадок первых отражений) взаимодействуют с прямым звуком АС, что приводит к изменению частотной характеристики звука, воспринимаемого слушателем. При этом на некоторых частотах происходит усиление звука, а некоторых его значительное ослабление. Этот акустический дефект, называемый "гребенчатой фильтрацией", приводит к нежелательному "окрашиванию" звука.

Управление интенсивностью ранних отражений позволяет улучшить качество звуковой сцены, сделать звучание АС более ясным и детальн м. Наиболее важны ранние отражения от площадок, расположенных на боковых стенах и потолке между зоной прослушивания и АС. Кроме того, большое влияние на качество звука могут оказать отражения от тыловой стены, если зона прослушивания расположена к ней слишком близко.

На участках расположения площадок ранних отражений рекомендуется размещать звукопоглощающие материалы или звукорассеивающие конструкции (акустические диффузоры). Акустическая отделка площадок ранних отражений должна быть адекватна частотному диапазону, в котором более всего наблюдаются акустические искажения (эффект гребенчатой фильтрации).

Линейные размеры применяемых акустических покрытий должны быть на 500-600 мм больше размеров площадок первых отражений. Параметры необходимой акустической отделки в каждом конкретном случае рекомендуется согласовать с инженером-акустиком.

"

Расчет
резонатора Гельмгольца

Резонатор Гельмгольца является колебательной системой с одной степенью свободы, поэтому он обладает способностью отзываться на одну определенную частоту, соответствующую его собственной частоте.

Характерной особенностью резонатора Гельмгольца является его способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров самого резонатора.

Это свойство резонатора Гельмгольца используется в архитектурной акустике при создании так называемых щелевых резонансных звукопоглотителей (Slot Resonator). В зависимости от конструкции резонаторы Гельмгольца хорошо поглощают звук на средних и низких частотах.

В общем случае конструкция поглотителя представляет собой деревянный каркас, смонтированный на поверхности стены или потолка. На каркасе закрепляется набор деревянных планок, между которыми оставляются зазоры. Внутреннее пространство каркаса заполняется звукопоглощающим материалом. Резонансная частота поглощения зависит от сечения деревянных планок, глубины каркаса и эффективности звукопоглощения изоляционного материала.

fo = (c/(2*PI))*sqrt(r/((d*1.2*D)*(r+w))) , где

w - ширина деревянной планки,

r - ширина зазора,

d - толщина деревянной планки,

D - глубина каркаса,

с - скорость звука в воздухе.

Если в одной конструкции применять планки различной ширины и закреплять их с неодинаков ми зазорами, а также выполнять каркас с переменной глубиной, можно построить поглотитель, эффективно работающий в широкой полосе частот.

Конструкция резонатора Гельмгольца достаточно проста и может быть собрана из недорогих и доступных материалов непосредственно в музыкальной комнате или в студийном помещении во время производства строительных работ.

"

Расчет панельного НЧ-поглотителя конверсионного типа (НЧКП)

Панельный поглотитель конверсионного типа является достаточно популярным средством акустической обработки музыкальных комнат благодаря простой конструкции и довольно высокой эффективности поглощения в области низких частот. Панельный поглотитель представляет собой жесткий каркас-резонатор с замкнутым объемом воздуха, герметично закрытый гибкой и массивной панелью (мембраной). В качестве материала мембраны, обычно применяют листы фанеры или MDF. Во внутреннее пространство каркаса помещается эффективный звукопоглощающий материал.

Звуковые колебания приводят в движение мембрану (панель) и присоединенный объем воздуха. При этом кинетическая энергия мембраны преобразуется в тепловую энергию за счет внутренних потерь в материале мембраны, а кинетическая энергия молекул воздуха преобразуется в тепловую энергию за счет вязкого трения в слое звукопоглотителя. Поэтому мы называем такой тип поглотителя конверсионным.

Поглотитель представляет собой систему масса-пружина, поэтому он обладает резонансной частотой, на которой его работа наиболее эффективна. Поглотитель может быть настроен на желаемый диапазон частот путем изменения его формы, объема и параметров мембраны. Точн й расчет резонансной частоты панельного поглотителя является сложной математической задачей, и результат зависит от большого количества исходных параметров: способа закрепления мембраны, её геометрических размеров, конструкции корпуса, характеристик звукопоглотителя и т.п.

Тем не менее, использование некоторых допущений и упрощений позволяет достичь приемлемого практического результата.

В таком случае, резонансную частоту fo можно описать следующей оценочной формулой:

fo=600/sqrt(m*d) , где

m - поверхностная плотность мембраны, кг/кв.м

d - глубина каркаса, см

Данная формула справедлива для случая, когда внутреннее пространство поглотителя заполнено воздухом. Если внутрь поместить пористый звукопоглощающий материал, то на частотах ниже 500 Гц процессы в системе перестают быть адиабатическими и формула трансформируется в другое соотношение, которое и применяется в он-лайн калькуляторе "Расчет панельного поглотителя":

fo=500/sqrt(m*d)

Заполнение внутреннего объема конструкции пористным звукопоглощающим материалом снижает добротность (Q) поглотителя, что приводит к расширению его рабочего диапазона и увеличению эффективности поглощения на НЧ. Слой звукопоглотителя не должен прикасаться к внутренней поверхности мембраны, также желательно оставить воздушный зазор между звукопоглотителем и задней стенкой устройства.
Теоретический рабочий диапазон частот панельного поглотителя расположен в пределах +/- одна октава относительно расчетной резонансной частоты.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев описанного упрощенного подхода вполне достаточно. Но иногда решение ответственной акустической задачи требует более точного определения резонансных характеристик панельного поглотителя с учетом сложного механизма изгибных деформаций мембраны. Это требует проведения более точных и достаточно громоздких акустических расчетов.

"

Расчет размеров студийных помещений в соответствии с рекомендациями EBU/ITU, 1998

За основу взята методика, разработанная в 1993 году Робертом Волкером (Robert Walker) после серии исследований, проведенных в инженерном департаменте ВВС (Research Department Engineering Division of ВВС). В результате была предложена формула, регулирующая соотношение линейных размеров помещения в достаточно широких пределах.

В 1998 году данная формула была принята в качестве стандарта Европейским Радиовещательн м Союзом (European Broadcasting Union, Technical Recommendation R22-1998) и Международным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union Recommendation ITU-R BS.1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студийных помещений и музыкальных комнат прослушивания.
Соотношение выглядит следующим образом:

1.1w/h <= l/h <= 4.5w/h - 4,

l/h < 3, w/h < 3

где l - длина, w - ширина, и h - высота помещения.

Кроме того, должны быть исключены целочисленные соотношения длинны и ширины помещения к его высоте в пределах +/- 5%.

Все размеры должны соответствовать расстояниям между основными ограждающими конструкциями помещения.

"

Расчет диффузора Шредера

Проведение расчетов в предлагаемом калькуляторе подразумевает ввод данных в диалоговом режиме и дальнейшее выведение результатов на экран в виде диаграммы. Расчет времени реверберации производится по методике, изложенной в СНиП 23-03-2003 "Защита от шума" в октавных полосах частот по формуле Эйринга (Carl F. Eyring):

Т (сек) = 0,163*V / (−ln(1−α)*S + 4*µ*V)

V - объем зала, м3
S - суммарная площадь всех ограждающих поверхностей зала, м2
α - средний коэффициент звукопоглощения в помещении
µ - коэффициент, учитывающий поглощение звука в воздухе

Полученное расчетное время реверберации графически сравнивается с рекомендуемым (оптимальным) значением. Оптимальным называют такое время реверберации, при котором звучание музыкального материала в данном помещении будет наилучшим или при котором разборчивость речи будет наивысшей.

Оптимальные значения времени реверберации нормируются соответствующими международными стандартами:

DIN 18041 Acoustical quality in small to medium-sized rooms, 2004
EBU Tech. 3276 - Listening conditions for sound programme, 2004
IEC 60268-13 (2nd edition) Sound system equipment - Part 13, 1998