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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Baffle-Step (Welleninterferenz) – ein Hindernis auf dem Weg zur linearen Akustik. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Lautsprecher Zunächst einmal, was ist Baffle-Schritt. Hierbei handelt es sich um das Phänomen der Interferenz von Wellen, die von der Frontplatte des Lautsprechersystems reflektiert werden, und Wellen, die von dem auf dieser Platte befindlichen Lautsprecher ausgesendet werden. Dieses Phänomen tritt in dem Frequenzbereich auf, der von unten durch die Abmessungen des Emitters und der Frontplatte und von oben durch den Übergang des Lautsprechers vom Kolbenmodus in den Zonenmodus bestimmt wird, d. h. wenn die Wellenlänge kleiner als die des Emitters wird selbst. Für geschlossene Bauformen gilt selbstverständlich die untere Grenze. Beim Öffnen ist alles viel komplizierter. Was verspricht die Vernachlässigung des „Buffle Step“. Bestenfalls eine Zunahme der Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs. Im schlimmsten Fall kann diese Ungleichmäßigkeit Spitzen und Einbrüche im Frequenzgang mit relativen Pegeln von mehr als 6–7 dB erreichen, und das Spektrum wird durch längere parasitäre Resonanzen ergänzt. Ohne Zweifel hat weder das eine noch das zweite einen positiven Einfluss auf den Klang. Wie der Einfluss des „Buffle Step“ grafisch aussieht, bzw. wie er sich in den qualitativen Merkmalen widerspiegelt. Nehmen wir ein Beispiel aus dem LspCAD 6-Paket mit dem optimierten Zwei-Wege-Lautsprechersystem von D'Appolito. Der Frequenzgang des optimierten Systems ist zunächst wie folgt:
Ich habe das System um einen Fall mit folgenden Daten ergänzt:
Schalten Sie die Schallwandsimulation ein:
Jetzt beträgt der Gesamtfrequenzgang +/-2.5 dB im Frequenzbereich von 300 Hz – 20 kHz. Es scheint, dass die Ungleichmäßigkeit nicht groß ist, aber die anfängliche Abweichung beträgt +/-1.5 dB im Frequenzbereich von 100 Hz – 20 kHz, d. h. die Charakteristik ist zunächst sehr gut ausgerichtet. Ja, und die Platzierung der Lautsprecher ist eindeutig gelungen. Und was passiert, wenn die Optimierung nicht durchgeführt wurde und die ursprüngliche Linearität des Frequenzgangs zu wünschen übrig lässt oder, noch schlimmer, bereits Unebenheiten im Frequenzbereich aufweist, in dem der „Buffle-Schritt“ die größten Korrekturen vornimmt? Eine berechtigte Frage ist: Entsprechen die Simulationsergebnisse dem realen Verhalten des Lautsprechers, da beim Design eines linearen Lautsprechers die „Schallwand“ berücksichtigt werden muss? Ich habe diese Frage gestellt und die Antwort bekommen. Meine Ergebnisse des „Buffle Step“-Experiments sind gering, aber sie sind indikativ. Wie ist es also passiert? Ich habe als Standard das verwendet, was zur Hand war. Dabei handelt es sich um einen Tief-/Mitteltöner mit einem Nenndurchmesser von 4.5 Zoll (angegeben ist der nutzbare Durchmesser; der Außendurchmesser des „Korbs“ beträgt 150 mm) und einer Metallmembran, weshalb in den Messkurven Frequenzgangemissionen enthalten sind oberen Teil des Audiofrequenzbereichs. Das zweite „Experiment“ – 4A28, das sich für mich wie der 4.5-Zoll-Lautsprecher als nützlich bei der Simulation des Betriebs von Lautsprechern unter Freiraumbedingungen (Free-Air-Design) erwies, aber 4A28 beteiligte sich nicht an dem Experiment mit „ „Buffle Step“ mangels geeigneter Akustikabschirmung. Um einen Anhaltspunkt zu haben, wurde der Lautsprecher im Nahfeld (10 cm vom Treiber entfernt) gemessen, wenn er an einer regulären Stelle des Lautsprechersystems installiert war. Bei dieser Ausführung handelt es sich um einen FI mit einem Volumen von 12 Litern, allerdings war in diesem Fall der Anschluss verschlossen. Messungen im Nahfeld ermöglichen es, den „Baffle“-Effekt weitgehend zu beseitigen und im Falle eines SP die ACD vollständig zu eliminieren. Anschließend wurde der Lautsprecher in der Mitte des akustischen Schildes platziert, das 315 mm breit und 840 mm hoch ist. Die Messungen wurden aus einer Entfernung von 70 cm vom Emitter durchgeführt und zusammen mit den Ergebnissen der Messungen im Nahfeld des GC in das LspCAD-Programm eingegeben. Das Projekt verwendete drei Emitter und das Tool „Diffraction Simulation“, um den „Buffle Step“ zu simulieren. Die Abmessungen der „Schallwand“ entsprechen den Abmessungen der Abschirmung, die Position des Lautsprechers ähnelt der Position in der Abschirmung, d. h. in der Mitte beträgt der Durchmesser des Emitters wie in der Realität 110 mm. Auch der Abstand zum Sender wird ähnlich wie bei realen Messungen eingestellt – 70 cm. Da mein Messkomplex Messungen mit absoluten Schalldruckwerten ermöglicht, wurde der Frequenzgang bei Messung in einem anderen Abstand als 1 m durch Verschiebung entlang der vertikalen Skala unter Berücksichtigung des Logarithmus des Spannungsverhältnisses korrigiert. Vereinfacht ausgedrückt sind in allen Diagrammen die Ergebnisse der Messungen des Frequenzgangs auf die Werte zurückzuführen, die aus einer Entfernung von 1 m bei einer an den Lautsprecher angelegten Spannung von 2.828 V erhalten wurden unabhängig von seinem Nennwiderstand. Warum LspCAD drei Emitter verwendet. Der erste ist „Referenz“. Es zeigt den Frequenzgang ohne den Einfluss von „Buffle Step“ an. Die zweite ist das Ergebnis realer Messungen aus einer Entfernung von 70 cm. Die dritte ist die Simulation des „Buffle Step“ basierend auf dem Frequenzgang des „Referenz“-Strahlers. Das Ergebnis der Modellierung in LspCAD:
Unten sind die Kurven signiert: Referenz – „Referenz“-Emitter; Gemessen – das Ergebnis realer Messungen und modelliert – das Ergebnis einer Simulation. Ich kann nicht sagen, warum LspCAD den simulierten Frequenzgang nach oben verschoben hat – in Wirklichkeit ist das nicht der Fall. Um genau 6 dB verschoben, was ich durch Auswahl des Generatorspannungswerts für den simulierten Lautsprecher herausgefunden habe. Ich verschiebe den Frequenzgang um 6 dB nach unten:
Wie man sieht, ist die Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und realen Messungen recht gut. Woran sich LspCAD genau orientiert, wenn der Frequenzgang um 6 dB nach oben verschoben wird, ist mir persönlich nicht klar. Ich hörte auf, dieses Programm zu verwenden, und führte weitere Vergleiche in einem seriöseren CAD-System durch – LEAP. Letzteres weist, wie sich herausstellte, solche „Besonderheiten“ nicht auf und ermöglicht darüber hinaus die Simulation von Dynamiken unter verschiedenen Bedingungen, bis hin zur Strahlung im freien Raum. Für die Modellierung in LEAP wurden die Thiel-Small-Parameter beider Treiber (4.5" Tief-/Mitteltöner und 8" 4A28) in die Softwaredatenbank eingegeben. Vergleich der Ergebnisse von Messungen im Nahfeld des Tief-/Mitteltöners bei Einbau an einem regulären Ort des Lautsprechers und seiner Simulation unter Berücksichtigung der Lage im WA eines ähnlichen Volumens, ohne Berücksichtigung der „ „Buffle Step“ ist unten angegeben:
In allen Diagrammen, die ich geben werde, entspricht die blaue Kurve der Simulation in einem unendlichen Bildschirm (ohne „Buffle“), die violette (wird später folgen) – der Simulation unter Freiraumbedingungen (unter Berücksichtigung der „ buffle") und das grüne - auf reale Maße. In der obigen Grafik ist der durchschnittliche Schalldruck des simulierten Lautsprechers, der allein auf den Thiel-Small-Parametern basiert, 1.5 dB niedriger als der reale. Das ist ein sehr gutes Ergebnis. Diese Simulation wurde mit folgender Anordnung der Objekte durchgeführt:
Für die Modellierung ohne Berücksichtigung des „Buffle-Schritts“ muss die Methode „Infinite Screen“ angegeben werden. Dies führt dazu, dass das entsprechende Frontplattendesign des Lautsprechers angezeigt wird. Als nächstes wurde das Ergebnis der Messung des Lautsprechers in der Abschirmung aus einer Entfernung von 70 cm in das Programm importiert und die Simulation unter realen Bedingungen gestartet:
Das Ergebnis des Vergleichs des Frequenzgangs:
Analog gilt für einen Abstand zum Strahler von 10 cm:
Wie man sieht, stimmen Simulation und reale Messungen recht gut überein. Und wenn man die fehlenden 1.5 dB hinzufügt, um die LEAP die durchschnittliche Empfindlichkeit des simulierten Lautsprechers unterschätzt, ist die Übereinstimmung noch besser. Ein Beispiel für die Modellierung einer „Buffle Step“-Box in LEAP, in der der Hersteller diesen Tief-/Mitteltöner unter Berücksichtigung der Korrektur von +1.5 dB als Mitteltöner eingebaut hat:
Ähnlich in LspCAD 6:
Das Ziel meines kleinen Experiments ist erreicht. „Buffle Step“ wird durch spezielle „Software“ perfekt modelliert und sein Einfluss auf den endgültigen Frequenzgang ist nicht zu unterschätzen. Da LEAP in der Lage ist, das Verhalten von Lautsprechern im offenen Raum zu simulieren, habe ich es mir nicht nehmen lassen, die Genauigkeit der Simulation zu überprüfen:
Warum hat mich das interessiert? Ich habe einmal in einem der Themen über das bisher unverständliche Verhalten des Lautsprechers außerhalb der regulären Box gesprochen, wenn der Frequenzgang im Betriebsfrequenzbereich in der Box in die Unebenheit von +/-1.5 dB passt und außerhalb der Box (das beträgt im Design von Free-Air ) +/-7.5 dB mit einer ausgeprägten Spitze im Frequenzgang im Mitteltonbereich. Vergleichsergebnisse aus einem Abstand von 10 cm zum Strahler:
Dies ist derselbe Lautsprecher, der im Schild gemessen wurde. Schön! Die Vergleichsergebnisse für den 4A28-Lautsprecher im Free-Air-Design aus einem Abstand von 30 und 10 cm vom Strahler sehen Sie unten:
Was kann man sagen. Erstens, was keine Entdeckung ist, hat der Lautsprecher vor dem Übergang in den Zonenmodus eine nahezu kreisförmige Richtwirkung, sodass sich die ACZ gerade in diesem Bereich vollständig manifestiert. Zweitens erinnerte ich mich aus irgendeinem Grund sofort an Versuche, zwei Lautsprecher nach Gehör zu vergleichen, natürlich ohne Design, um ihre Empfindlichkeit und die Linearität des Frequenzgangs zu bewerten und manchmal sogar bestimmte Zahlen anzugeben. Schauen Sie sich die Diagramme an. Im Bereich der größten Hörempfindlichkeit sind die Strahlungsnichtlinearitäten vollständig ausgeprägt. Die Änderung des Frequenzgangs äußert sich nicht nur in einer Änderung des Abstands zum Emitter, sie hängt auch vom Durchmesser des Emitters ab. Und nach den Ergebnissen der Messungen können wir unter Berücksichtigung des „Buffle-Schritts“ Folgendes sagen. Zwei völlig identische Lautsprecher, die in unterschiedlichen akustischen Designs eingebaut sind, oder auf Lautsprecherfrontplatten unterschiedlicher Größe installiert werden, oder unterschiedlich auf denselben Lautsprecherfrontplatten platziert werden, oder alles zusammen plus eine unterschiedliche Nenngröße der Strahler – all dies wird erreicht jeweils spezifisches Sprecherverhalten. Autor: Lexus (Sirvutis Alexey Romasovich); Veröffentlichung: cxem.net
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