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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Entwurf eines Lautsprechers mit orthogonalen Strahlungsflüssen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Lautsprecher Der Artikel schlägt eine Variante einer vereinfachten Berechnung des Designs eines Lautsprechers mit orthogonalen Vorwärts- und Rückwärtsstrahlungsströmen vor. Die Besonderheiten der Bedienung dieses Lautsprechers sind im Artikel „Akustischer Kurzschluss in einem Lautsprecher und seine Überwindung"(Radio, 2003, Nr. 1). Einer der Vorteile einer solchen Akustikkonstruktion besteht darin, dass die Resonanzfrequenz des Bassfells in der Box praktisch nicht ansteigt. Eine der Möglichkeiten zur Überwindung eines akustischen Kurzschlusses bei Lautsprechern mit elektrodynamischen Köpfen ist das vom Autor [1] vorgeschlagene Design mit einem zur Direktstrahlung orthogonalen Rückstrahlungsfluss (der Kürze halber nennen wir ein solches Design vom Typ „ORTHO“) ). Akustische Wellen der umgekehrten (hinteren) Abstrahlung des Kopfes, die sich im Volumen des Lautsprechergehäuses ausbreiten, ändern bei der Reflexion bei allen abgestrahlten Frequenzen ihre Richtung um einen Winkel von bis zu 270° und erhalten eine Zeitverzögerung gegenüber die frontal abgestrahlten Wellen (Vektoren A und B in Abb. 1) . Wird der Rückstrahlungswellenleiter des Kopfes ausgeschlossen, kommt es bei offenem AO zu einer akustischen Kompensation der von der Außen- und Rückseite des Lautsprecherdiffusors abgegebenen Schwingungen. Im Gehäuse und insbesondere im Lautsprecher-Waveguide empfiehlt es sich, die Ecken mit „Verkleidungen“ zu glätten, wie in Abb. 1 mit gestrichelten Linien.
Die Frontplatte 2 ist in einem bestimmten Winkel im Gehäuse 1 platziert, um die akustischen Resonanzen zu glätten, die durch die Reflexion akustischer Schwingungen in der Querebene des Gehäuses entstehen, und um das Innenvolumen an den Wellenleiter anzupassen. Die Einstellung des Resonanzbodens eines Konzertakkordeons in einem anderen als dem geraden Winkel wurde erstmals in den späten 30er Jahren des letzten Jahrhunderts von der deutschen Firma HOHNER angewendet. Ein solches „kaputtes“ Deck, das die Klangfarbe des Instruments formt, verleiht dem Klang Weichheit und Samtigkeit. Bei Lautsprechern mit orthogonalen Flüssen direkter Strahlung vom Kopf und Wellenleiter kann die Gesamtstrahlung als Schallschwingungen eines äquivalenten Strahlers betrachtet werden. Beispielsweise wirken bei harmonischen Signalen unterschiedlicher Frequenzen variable Phasen des orthogonalen Flusses akustischer Schwingungen, wodurch ausgeprägte Richtungen („Pole“) der Gesamtstrahlung auftreten (deren mathematische Analyse sehr kompliziert ist). Aufgrund der Mehrdeutigkeit der Phase der Rückstrahlung und der unterschiedlichen Dämpfung im Wellenleiter (für ein breites Frequenzband) sind die Pole beweglich und daher nicht mit dem Gehör zu lokalisieren. Formeln zur Berechnung bekannter AO-Varianten [2, 3] erwiesen sich für die in [1] vorgeschlagene Auslegung von Lautsprechern als ungeeignet. Auf der Suche nach einer bequemen und visuellen Methode zur Berechnung der Struktur wurde beschlossen, den Außendurchmesser D des elektrodynamischen Kopfes als Grundlage für die Konstruktion zu nehmen und alle Abmessungen der Lautsprecherstruktur durch diesen Parameter auszudrücken. Dies erwies sich für die Designpraxis als sehr praktisch, wenn keine relevante Fachliteratur vorhanden ist. Durch umfangreiche experimentelle Arbeiten wurden Abhängigkeiten ermittelt, anhand derer sich jede beliebige Größe des ORTHO-Lautsprechergehäuses bestimmen lässt. Bezeichnungen sind gemäß Abb. 1 gegeben. eines: H \u2d (2,4 ... 1,2) D - Kastenhöhe; B \u0,9d 3D - Breite der Frontplatte; F = 0,7D – Wellenleiterschirmhöhe 5; h = 0,9D – Abstand von der Mitte des Kopfes 1 bis zur Unterkante der Frontplatte; Do – 1,8D – Kopflochdurchmesser; G = B – Körpertiefe 2; C \u0,5d 2D - Höhe von Panel 2; M ist der Abstand zwischen der Frontplatte und den Wänden des Kastens; b – Dicke des Körpermaterials; S ≥ 3DXNUMX= M(B – XNUMXb) – zulässige Fläche der Durchgangsabschnitte des Wellenleiters XNUMX. Auf Panel 2 können zwei oder mehr dynamische Köpfe installiert werden. In diesem Fall müssen die Gehäuseabmessungen unter Berücksichtigung des Verhältnisses von Diffusorfläche und Wellenleiterquerschnitt angepasst werden.
Im Gegensatz zu einem geschlossenen Gehäuse ist bei dieser Bauweise die akustische Wirkung des hinteren Schallstrahls schwächer, da fast die gesamte akustische Energie der Rückstrahlung des Kopfes durch den Wellenleiter in den beschallten Raum gelangt. Als Lautsprechermaterial können hierbei Spanplatten (Spanplatten) oder Sperrholz mit einer Dicke von 8 ... 16 mm verwendet werden (größere Abmessungen sind für einen 100-W-Lautsprecher angegeben). Dadurch kann das Gewicht des Lautsprechergehäuses reduziert werden. Seine Elemente werden mit Hilfe von Lamellen, zum Kleben von Holz geeignetem Leim und Schrauben miteinander verbunden. Der Durchmesser des Lochs Do unter dem Kopf wird gleich dem Außendurchmesser der Riffelung des Diffusors gewählt. Das Loch befindet sich entlang der vertikalen Symmetrieachse der Frontplatte. Das Lautsprechergitter und die Gehäuseoberfläche können an den künstlerischen Geschmack und die Fähigkeiten des Funkamateurs angepasst werden. Für das Schutzgitter verwendete der Autor ein feines Netz, das in Form eines Quadrats ausgeschnitten und auf Punktstützen gespannt wurde. Das Schutzgewebe ist auf einen Metallring geklebt, der im Loch in der Platte befestigt ist. Die hintere Abdeckung 6 muss starr sein; Es wird mit Schrauben an den an den Wänden des Gehäuses 7 montierten Schienen 1 befestigt. Gleichzeitig werden die Passflächen mit einem Band aus dünnem Gummiblech abgedichtet. Unter dem Körper 1 befinden sich Stützen 4 aus Hartgummistäben. Beachten Sie, dass die Montage des Lautsprechergehäuses auf einem bis zu 1 m hohen Ständer der direkten Aufstellung auf dem Boden vorzuziehen ist. Das Akustikdesign vom Typ „ORTHO“ ist effektiv genug für den Einbau in die Wand und sogar an die Decke. AU-Lautsprecher können passiv oder aktiv (mit eingebautem UMZCH) gemacht werden. An der Unterseite der Rückwand sind elektrische Anschlüsse angebracht. Besondere Bemerkungen sind bei der Wahl der Köpfe für solche Lautsprecher zu machen. Der Autor empfiehlt die Verwendung inländischer dynamischer Köpfe, deren Liste und technische Eigenschaften in [4] zu finden sind. Im Vergleich zu den bekannten AO-Typen entwickelt der konstruierte Lautsprecher des Typs „ORTHO“ im Nahraum nahezu die doppelte akustische Leistung. Durch den Empfang zweier orthogonaler Strahlungsströme ermöglicht ein solches akustisches Design einen „räumlicheren“ Klang im Hörraum. Wenn Kopf 5 (LF-MF) nicht breitbandig genug ist, kann ein dynamischer Hochfrequenzkopf auf der äußeren Abschirmung des Wellenleiters installiert werden, der über den HPF mit dem UMZCH verbunden ist. Sie können dort auch eine AC-Überlastungsanzeige installieren. In einen solchen Lautsprecher können elektrodynamische Köpfe mit einem Durchmesser von 100 bis 450 mm eingebaut werden. Der Autor empfiehlt die Verwendung von Breitbandtreibern mit niedrigem mechanischen Gütefaktor und großem Membrandurchmesser. Wenn der Frequenzgang des Kopfes bei der Frequenz der elektromechanischen Resonanz merklich ansteigt, muss sich der Lautsprecherhersteller darüber im Klaren sein, dass ihm dies viel unnötigen Ärger und Arbeit bereitet. Die Resonanzunterdrückung kann elektrisch und mechanisch erfolgen. Im ersten Fall muss ein Parallelschwingkreis in Reihe mit der Kopfspule geschaltet werden, der auf die Frequenz der elektromechanischen Resonanz abgestimmt ist. Der Qualitätsfaktor der Schaltung muss mit dem Qualitätsfaktor des verwendeten Kopfes übereinstimmen. Um die entsprechenden Messungen durchführen zu können, benötigen Sie einen Audiofrequenzgenerator, ein Voltmeter, ein Kondensatormikrofon, einen Frequenzmesser sowie ein Induktivitäts- und Kapazitätsmessgerät unter Verwendung der Methodik gemäß GOST 16122-70. Allerdings ist zu bedenken, dass der Qualitätsfaktor des Kopfes keineswegs ein konstanter Wert ist; sie hängt von der Amplitude der Diffusorschwingungen und der begrenzten Flexibilität der mechanischen Aufhängung ab. Eine andere Methode zur Unterdrückung elektromechanischer Resonanz besteht darin, akustische Verluste in den Lautsprecher einzuführen, das Gehäuse mit Watte, Filz oder anderen ähnlichen Materialien zu füllen oder Resonatoren auf die Frequenz der elektromechanischen Resonanz des Lautsprechers abzustimmen. Die Berechnung der Frequenz des Helmgolyd-Resonators erfolgt nach der Formel fr = 0,5/π-Cv√s/(Vl), wobei V das Volumen des Resonatorgehäuses ist, m3; s ist die Fläche des Resonatorauslasses, m2; l ist die Länge des Resonatorlochs in Metern; Cv ist die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in Luft, 340 m/s. Das Design des Helmholtz-Resonators ähnelt einer Flasche. Das mit einem Phasenwender ausgestattete Lautsprechergehäuse ist übrigens auch ein Resonator. Dies führt zu Verzerrungen bei der Wiedergabe niederfrequenter Töne, die von den Lautsprechern abgegeben werden. Der eingebaute Resonator wurde im Radiolautsprecher Symphony verbaut, der tiefe Frequenzen sehr monoton wiedergibt: in Form von Klopfgeräuschen, unabhängig von der Art des Musikinstruments. Dies führte offenbar dazu, dass auf die Verwendung eines solchen Lautsprecherdesigns verzichtet wurde, das bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts in Radioempfängern mit offenem Gehäuse verwendet wurde [6]. Der Lautsprecher „ORTHO“ strahlt tatsächlich zwei Schallströme ab: A und B (Abb. 1). Folglich sollten auch akustische Messungen von der allgemein anerkannten Methodik des oben genannten GOST abweichen. Der Schalldruck jedes Strahls wird separat in einer schalltoten Kammer, einem großen schalltoten Raum oder einfach in der Luft bei ruhigem Wetter mit den oben aufgeführten Geräten gemessen. Die Platzierung von Messmikrofon und Lautsprecher ist in Abb. dargestellt. In Abb. 2 ist das Blockschaltbild des Ständers zur Messung der charakteristischen Empfindlichkeit (Effizienz) des Frequenzgang-Messlautsprechers dargestellt. 3.
Als Signalgenerator, der den Lautsprecher anregt, können Sie einen leistungsstarken Rauschgenerator verwenden, beispielsweise vom Typ G2-12, der über einen niederohmigen Ausgang verfügt. Wenn Sie einen Rauschgenerator mit geringer Leistung verwenden, benötigen Sie einen UMZCH, vorzugsweise einen transformatorlosen. Es ist zu bedenken, dass die Form des Frequenzgangs der Lautsprecher deutlich geglättet wird, was durchaus dem tatsächlichen Stand der Dinge entspricht, da die Spektren von Sprache und Musik breitbandig sind und die Signale dem Rauschen ähneln. Der Abstand zwischen Lautsprecher und Messmikrofon wird innerhalb von r = (2...4)d gewählt, wobei d die durchschnittliche Größe des Lautsprecherkegels ist. Am häufigsten wird r = 1 m verwendet [2]. Die dem Lautsprecher zugeführte Spannung wird nach der Formel berechnet U=√0,1PnomRhom(3) wobei Pnom die Nennleistung des Lautsprechers ist; Rhom ist die nominale Eingangsimpedanz des Lautsprechers. Bei der Prüfung der Nennleistung wird die Sinusspannung gleich der Nennspannung gesetzt und die Rauschspannung beträgt 0,707 der Nennspannung. Das Schalldruckmessgerät ist ein BM1-Kondensatormikrofon, das an den Eingang eines PV2-Millivoltmeters (z. B. VZ-33) angeschlossen ist. Der Schalldruck hängt von der Frequenz ab, daher werden Messungen an mindestens zehn Frequenzgangpunkten durchgeführt. Wenn Messungen mit Rauschsignalen durchgeführt werden, dann im Messstand nach dem Schema in Abb. In 3 wird ein Terzfilter eingeführt, bei dessen mittlerer Frequenz Schalldruckmessungen durchgeführt werden. Die Anzahl dieser Filter wird durch die Breite des Frequenzgangs bestimmt. Sollten Einbrüche und Spitzen bereits 1/8 Oktave im Frequenzgang vorhanden sein, werden diese nicht berücksichtigt. Der Wert des gemessenen Schalldrucks wird durch die Formel bestimmt p \uXNUMXd Uo / Eoc, wo Uo - Spannung am Ausgang des Messmikrofons, mV; Eoc – Empfindlichkeit des Messmikrofons entlang der Achse bei der gemessenen Frequenz, mV/Pa. Um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen, ist es wünschenswert, dass der Durchmesser des Mikrofons so klein wie möglich ist, da die Methode dadurch näher an Messungen in einer ebenen Welle herankommt. Durch den Einsatz elektrodynamischer Mikrofone, die eine große Frequenzgangungleichmäßigkeit aufweisen, ist es möglich, Messergebnisse zu erhalten, die nur qualitativer Natur sind. Elektret-Kondensatormikrofone sowie Bändchenmikrofone haben etwas bessere Eigenschaften. Das Messmikrofon muss über einen von der messtechnischen Organisation ausgestellten Pass verfügen. Der durchschnittliche Schalldruck entsprechend dem erhaltenen Frequenzgang wird durch die Formel bestimmt
wobei pk der vom Lautsprecher bei der Frequenz fk entwickelte Schalldruck oder die durchschnittliche Frequenz des k-ten Terzfilters ist; n ist die Anzahl der Frequenzen bzw. Messbänder (es müssen mindestens 10 sein). Wenn die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs weniger als 12 dB beträgt, wird der arithmetische Mittelwert durch die Formel bestimmt
Mit der Formel wird die charakteristische Empfindlichkeit des Lautsprechers Ex ermittelt, die sich bei einem Abstand von 1 m auf der Arbeitsachse zwischen Messmikrofon und Lautsprecher (bei einer Eingangsleistung von 1 W) ergibt Ex = Рavg/(l√P), wobei pav der durchschnittliche Schalldruck Pa ist, der vom Lautsprecher im Nennfrequenzbereich entwickelt wird; l - Abstand vom Arbeitszentrum des Kopfes zum Messmikrofon, m; P – elektrische Leistung, W, die dem Lautsprecher zugeführt wird. Aus dem Frequenzgang des Lautsprechers wird ein effektiv reproduzierbarer Frequenzbereich ermittelt, indem die Frequenzen ermittelt werden, die den Schnittpunkten einer Geraden parallel zur Frequenzachse mit dem Frequenzgang des Lautsprechers entsprechen. Eine Gerade wird 10 dB unterhalb des durchschnittlichen Schalldrucks im Oktavfrequenzband pav.oct eingezeichnet, was der maximalen Empfindlichkeit des Lautsprechers entspricht. Dieses Niveau wird durch die Formel bestimmt
wo ro = 2-10-5 Pa - Hörschwelle bei einer Frequenz von 1000 Hz. Für ein Sinussignal muss die Anzahl der Referenzpunkte mindestens 7 (jede 1/6 Oktave) betragen, für Terzfilter mindestens 3. Der ungleichmäßige Frequenzgang wird im Nenn- und im Betriebsfrequenzbereich ermittelt. Die Richtcharakteristik wird in einem gedämpften Raum oder im Freien durch Drehen des Lautsprechers relativ zu einem feststehenden Messmikrofon im Abstand von 1 m um 5-10° im Bereich von 0-360° ermittelt. Die Breite der Richtcharakteristik wird aus dem Diagramm auf dem Niveau von 0,707 (-3 dB) ermittelt. Bei Messungen an Rauschsignalen wird die Richtwirkung bei einer oder mehreren Frequenzen bzw. bei den Mittelfrequenzen von Terzfiltern bestimmt. Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, ist für eine qualifizierte Beurteilung der Parameter des AS oder AO ein erheblicher messtechnischer Aufwand und Berechnungen erforderlich. Bedenken Sie, dass zur Beurteilung der Wirksamkeit des Akustikdesigns die Messung der elektroakustischen Effizienz erforderlich ist Kea = Pa/Pe wo Pa - akustische Leistung; Pe ist die aufgenommene elektrische Leistung, dann fällt die Anzahl der Messungen recht groß aus. Die Schallleistung kann durch die Formel bestimmt werden Ra \u4d XNUMXπr2r2rsko, wo p - Schalldruck im Abstand r, Pa; p - Luftdichte; c ist die Geschwindigkeit der Schallausbreitung, gleich 340 m/s; K, - Konzentrationskoeffizient, der je nach Frequenz gleich 1 ... 3 angenommen werden kann. Bei der Konstruktion eines Lautsprechers vom Typ „ORTHO“ ist zu berücksichtigen, dass die oben aufgeführten elektroakustischen Parameter weitgehend von den verwendeten dynamischen Köpfen abhängen. Wenn der Kopf beispielsweise tiefe Frequenzen nicht wiedergibt, kann kein Gehäusedesign diesen Mangel ausgleichen. Ein solches akustisches Design „verwöhnt“ den Frequenzgang des Lautsprechers nicht, und dies ist einer der entscheidenden Vorteile gegenüber den bekannten Lautsprecherdesigns. Im vorgeschlagenen Akustikdesign ist es möglich, Köpfe mit Diffusoren in runder, rechteckiger oder elliptischer Konfiguration zu verwenden. Durch die Installation von zwei Köpfen an der Frontplatte können Sie die Nennleistung und den Strahlungswiderstand erhöhen und den ungleichmäßigen Frequenzgang reduzieren. Literatur
Autor: V. Nosov, Moskau
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