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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Bass im Auto: Nicht-Standard-Lösungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Lautsprecher Wie kann die Bandbreite effektiv reproduzierbarer Frequenzen in einem Autolautsprechersystem mit minimalen Kosten erweitert werden? Der Autor, mehrfacher Teilnehmer an Car-Audio-Wettbewerben und unermüdlicher Experimentator, bietet originelle Designlösungen (unter Anwendung von Berechnungsformeln) an, die zu einer spürbaren Verbesserung des „Bass“ des Lautsprechersystems führen, ohne die Nutzlautstärke wesentlich zu reduzieren des Rumpfes. Das Hauptproblem, das beim Einbau eines Lautsprechersystems in ein Auto entsteht, ist eine geschwächte Wiedergabe der unteren Frequenzen des Bereichs. Ein fertiger oder selbstgebauter Subwoofer ist die radikalste Lösung für das „Bass“-Problem. Allerdings nimmt die kastenförmige Karosserie viel Platz im Kofferraum ein und die eingebauten Strukturen, die die komplex geschwungenen Oberflächen des Autos nachbilden, sind sehr aufwendig in der Herstellung. Daher erfreuen sich kastenlose Subwoofer trotz ihrer inhärenten Nachteile immer noch großer Beliebtheit. Auch die Einfachheit der Lösung spielt eine wichtige Rolle – für den Einbau eines Lautsprechers (für Autofahrer ein Synonym für einen dynamischen Kopf) in die Hutablage im Free-Air-Design sind keine besonderen Qualifikationen erforderlich. Allerdings eignet sich die Methode nur für „echte“ Limousinen, deren Kofferraum durch eine Trennwand vom Fahrgastraum getrennt ist. Andernfalls ist die Dichtheit dieses akustischen Designs sehr bedingt und die Wiedergabe tiefer Frequenzen verschlechtert sich. Außerdem ist die maximale Größe der dynamischen Köpfe durch die Abmessungen der Heckscheibenablage begrenzt, so dass runde Köpfe mit einem Durchmesser von 6,5–8 Zoll oder elliptische Köpfe mit 6 x 9 (7 x 10) Zoll die Grenze für die meisten gängigen Fahrzeuge darstellen. Bei Schrägheckmodellen gibt es dieses Problem nicht, dort kann problemlos ein XNUMX-Zoll-Subwooferkopf in der Hutablage untergebracht werden. Aber es ist nicht so einfach, das Problem zu lösen. Eine dünne Hutablage ist nicht so schlimm, das eigentliche Problem besteht darin, dass es äußerst schwierig ist, das Kofferraumvolumen vom Fahrgastraum zu isolieren. Daher bringt eine solche Lösung mehr Probleme als Nutzen mit sich: Es ist unrealistisch, die Verbindungen der Ablage mit den Seiten des Gepäckraums und der Rückseite des Rücksitzes abzudichten. Das akustische Design ist in diesem Fall keine „bedingt geschlossene“ Box mehr, sondern ein akustischer Schirm. Dadurch „fressen“ Leckageverluste alle Vorteile eines großen Diffusors auf. Eine Erhöhung der Eingangsleistung oder eine Korrektur des Frequenzgangs bringt keine Rettung. Glücklicherweise sind die Verluste nur bei hoher Eingangsleistung und Frequenzen unter 50 Hz erheblich. Sie nehmen mit zunehmendem Rumpfvolumen ab (der Grad der Druckänderung nimmt ab). Durch den Einsatz von Lautsprechern mit kleinem Antriebsvolumen (kleinere Membranfläche und kleiner Hub) können Verluste weiter reduziert werden. Allerdings ist ihre Effizienz gering, sodass dieser Weg uninteressant ist. Das Problem kann durch eine Änderung der Art der Akustikkonstruktion gelöst werden. Da bei Schrägheckmodellen die Heckablage für den Einbau von Lautsprechern noch mindestens verstärkt und maximal neu angefertigt werden muss, ist eine leichte Komplikation ihres Designs kein so großer Nachteil. Darüber hinaus werden zwei Möglichkeiten zur akustischen Gestaltung von Tieftonköpfen im Auto vorgeschlagen, die in der Praxis mehrfach erprobt wurden [1,2]. Streifenlautsprecher Unter dem Gesichtspunkt maximaler Effizienz ist es am vorteilhaftesten, einen Bandpass-Lautsprecher (Bandpass) zu verwenden. Erstens reproduziert diese Art von akustischem Design keine Out-of-Band-Signale. Daher ist der Einsatz elektrischer Filter im Signalweg, die den Frequenzgang des Subwoofers formen, nicht mehr zwingend vorgeschrieben. Zweitens ist die Effizienz eines Bandpasslautsprechers viel höher als die anderer Arten von Akustikdesigns, was die Verwendung eines Verstärkers mit relativ geringer Leistung ermöglicht. Zusammengenommen ermöglichen diese Umstände, dass der Subwoofer direkt vom Hauptgerät (Radio) aus betrieben werden kann. Dies ist besonders attraktiv für diejenigen, die keinen zusätzlichen Verstärker installieren möchten. Für unsere Zwecke ist ein System vierter Ordnung besonders praktisch, bestehend aus zwei Kammern – geschlossen und resonant, in deren Trennwand ein dynamischer Kopf eingebaut ist. Wir werden den Kofferraum als geschlossene Kammer nutzen und das Regal in eine Resonanzkammer verwandeln, die mit einem Phasenumkehrer ausgestattet ist (Abb. 1).
Auch das Gegenteil ist möglich, aber nicht einfach umzusetzen, da mögliche Undichtigkeiten und insbesondere das variable Volumen des Rumpfes (es hängt von der Füllung ab) die Abstimmung der Resonanzkammer weitaus stärker beeinflussen als die Einstellung von a geschlossen. Ja, und es ist fast unmöglich, den für die Berechnungen notwendigen genauen Wert des Kofferraumvolumens herauszufinden – kein einziger Autohersteller gibt ihn mit einer Genauigkeit von bis zu einem Liter an. Schließlich ist die Effizienz einer solchen Variante den Simulationsergebnissen zufolge deutlich geringer. Mit Bandpass können Sie den Frequenzgang des Lautsprechersystems flexibel steuern. Die Haupteigenschaften werden durch die Resonanzkammer bestimmt, und das Volumen der geschlossenen Kammer kann als Instrument zur Einstellung der Resonanzfrequenz und des Qualitätsfaktors des Fells betrachtet werden. Allerdings treten in unserem Fall gewisse Einschränkungen in Kraft: Einige Designparameter sind „objektive Realität“ und können nicht willkürlich geändert werden. So beträgt das Volumen des Kofferraums, der in dieser Version die Rolle einer geschlossenen Akustikkammer spielt, in der Regel mindestens 300 Liter und lässt sich nur schwer variieren. Glücklicherweise kann durch die richtige Wahl der Kopfparameter der Einfluss des Volumens der geschlossenen Kammer auf den Frequenzgang minimiert werden. Durch die Simulation verschiedener Optionen durch das JBL Speaker Shop-Programm konnten die wesentlichen Verhältnisse der Parameter ermittelt werden (Abb. 2):
Bei der vorgeschlagenen Konstruktion sind das Volumen der Resonanzkammer und die Abmessungen des Phasenumkehranschlusses durchaus akzeptabel. Eine Vergrößerung des Volumens der Resonanzkammer relativ zum äquivalenten Volumen verringert die Bandbreite, und eine Verringerung des Volumens der Resonanzkammer erweitert das Band, aber der Frequenzgang wird doppelhöckerig. Unter Berücksichtigung der realen Volumina des Rumpfes und der verfügbaren Volumina der Resonanzkammer eignen sich für ein solches Design am besten dynamische Köpfe mit folgenden Parametern: Gesamtgütefaktor Qts = 0,7 ... 1,0; Äquivalentvolumen Vas = 10...60 l; Eigenresonanzfrequenz Fb = 40...60 Hz. Diese Bedingungen erfüllen nicht nur „seriöse“ Redner, sondern auch die meisten „Pancakes“. Die Simulationsergebnisse der AU „im selben Stamm“ sind in Abb. dargestellt. 3.
Hier zeigt sich, dass der Wirkungsgrad eines Bandpasssystems mit dynamischem Kopf mit den angegebenen Parametern im Frequenzbereich unter 50 Hz deutlich höher ist als der eines geschlossenen Gehäuses (zumindest theoretisch). Die Grenzfrequenz eines geschlossenen Gehäuses beträgt bei einem Pegel von -3 dB nur 42 Hz, bei einem Bandpasslautsprecher sind es 27 Hz. Gleichzeitig ist der Bandpass im Bereich der niedrigsten Frequenzen (15 ... 30 Hz) dem im gleichen Gehäusevolumen hergestellten Phasenumrichter unterlegen – während der Frequenzgang im Durchlassbereich der Phase ungleichmäßig ist Wechselrichter ist höher. Bei einem Phasenwechselrichter mit einem solchen Volumen wird es zwar sehr schwierig sein, den Kofferraum für den vorgesehenen Zweck zu verwenden ... Die praktische Umsetzung des vorgeschlagenen Entwurfs ist nicht schwierig. Schauen Sie sich einfach ein typisches befestigtes Regal an (Abb. 4).
Zur Umwandlung in einen Bandpass fehlen lediglich eine abgedichtete Resonanzkammer und ein Phasenumkehrer. Und trotz des scheinbar beeindruckenden Volumens der Resonanzkammer ist sie optisch nicht groß: Bei dem berechneten Volumen von 45 Litern bei einer Plattengröße von 1,1 x 55 m beträgt die Innenhöhe der Kammer nur 7,5 cm! Unter Berücksichtigung der Wandstärke beträgt die Gesamthöhe nicht mehr als 10 cm und ein solcher Höhenverlust des Rumpfes kann schmerzlos vertragen werden. Die meisten Modellierungsprogramme berechnen auch den Phasenwenderanschluss, meist nur mit kreisförmigem Querschnitt. Um den Phasenwender ohne Verwendung spezieller Programme zu berechnen, können Sie die bekannte Formel [3] verwenden.
wo Fb - Resonanzfrequenz, Hz; V, - Kammervolumen, cm3; S, - Anschlussfläche, cm2; l - Tunnellänge (Plattendicke), cm; k – Seitenverhältnis des Lochs Aus fertigungstechnischer Sicht ist es am bequemsten, einen Phasenwechselrichteranschluss in Form eines Lochs in der Platte herzustellen, ohne ein Rohr zu verwenden. Da keine mathematischen Transformationen erforderlich sind, um die Formel in eine für die Berechnung der Lochgrößen geeignete Form zu bringen, ist es einfacher, die Methode der sukzessiven Approximationen zu verwenden. In erster Näherung wird der Querschnitt des Lochs innerhalb von 50 ... 70 % der Diffusorfläche (der Gesamtfläche der Diffusoren bei mehreren Lautsprechern) gewählt. Anschließend wird die Abstimmfrequenz des Phasenumrichters für eine gegebene Plattendicke und das Volumen der Resonanzkammer bestimmt. Dann bleiben nur noch wenige Iterationen, um den Bereich des Lochs zu verfeinern und das Ergebnis in eine „Gabelung“ zu treiben. Für die endgültige Einstellung der Abstimmfrequenz (in Richtung der Erhöhung) ist es zweckmäßig, den Lochformkoeffizienten k zu verwenden: Sein Wert hoch 0,12 wächst sehr langsam, die Lochdehnung überschreitet 1,4 nicht ... 1,6 selbst für sehr schmale und lange Schlitze ( 1:20...1:50). Wenn sich nach allen Berechnungen herausstellt, dass die Lochfläche immer noch weniger als 20 % der Diffusorfläche beträgt, lohnt es sich, die Tiefe des Anschlusses zu erhöhen, d.h. Gehen Sie zu einem kurzen Rohr oder einem langen Schlitz mit einer „Seite“. ". In diesem Fall muss beachtet werden, dass der Abstand vom Innenschnitt des Rohrs zur Wand der Resonanzkammer mindestens seiner „charakteristischen“ Größe entsprechen muss, gleich der Quadratwurzel der Fläche (der gleichen Wurzel von S in der Nenner). Ist diese Bedingung nicht erfüllt, muss der „Überschuss“ des Rohres aus dem Gehäuse entfernt oder die Geometrie der Resonanzkammer überarbeitet werden. Vielleicht lohnt es sich, das Volumen der Resonanzkammer zu vergrößern und die Berechnungen, beginnend mit der Simulation, vollständig zu wiederholen. Lassen Sie es mich anhand eines Beispiels erklären. Für den Lautsprecher wurde basierend auf der obigen Berechnung ein Kopf mit 25 cm Durchmesser und einer Kegelfläche von ca. 380 cm2 verwendet. Der Port muss auf 50 Hz eingestellt sein. Bei einer 45-l-Kammer mit einer Plattenstärke von 12 mm ergibt ein 300 cm2 großes Loch eine Abstimmung von 104 Hz, bei einer Fläche von 100 cm2 reduziert sich die Abstimmungsfrequenz auf 77 Hz. Eine weitere Verringerung der Lochfläche ist unerwünscht, daher muss die Tiefe der Öffnung erhöht werden. Bei gleicher Fläche von 100 cm2 und einer Tiefe von 48 mm ist die Abstimmfrequenz sogar noch niedriger – 67 Hz. Widerwillig reduzieren wir die Lochfläche auf 74 cm2 (Rohr mit Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 97 mm) und erhöhen die Tiefe auf 110 mm. Die Lochfläche beträgt 19 % der Kegelfläche, die Stimmfrequenz beträgt genau 50 Hz. Das Ergebnis wird erreicht, aber nicht auf die beste Art und Weise. Da die Innenhöhe des Körpers 7,5 cm und die charakteristische Größe der Röhre 8,6 cm beträgt, muss die gesamte Röhre außerhalb der Resonanzkammer passen. Der Vorteil der betrachteten Möglichkeit der Akustikgestaltung besteht darin, dass die Eigenschaften der Lautsprecher praktisch unabhängig von der Beladung des Gepäckraums (bis etwa zur Hälfte seines Volumens) sind. Allerdings ist es nicht möglich, einen Phasenwender ohne Rohr mit allen Kopftypen zu realisieren, was ein klarer Nachteil ist. Und das aus der Hutablage ragende Rohr ist geradezu avantgardistische Ästhetik. Allerdings erfordert Kunst (einschließlich Musik) Opfer ... Akustische Belastung in Lautsprechern (Flachresonator) Und wenn Sie das Problem von der anderen Seite angehen – nehmen Sie die Resonanzkammer oben auf dem Regal heraus? Natürlich müssen dynamische Köpfe die bereits oben genannten Anforderungen erfüllen: voller Gütefaktor im Bereich von 0,7 ... 1, mäßig steife Aufhängung, niedrige Frequenz der Hauptresonanz. Die einfachste Version der Resonanzkammer ist ein flacher akustischer Schirm, der in unmittelbarer Nähe des Diffusors platziert wird. Die Luftmasse unter dem Sieb verhält sich genauso wie im Phasenwenderrohr – sie schwingt. Und die Rolle des Ports wird ein Schlitz um den Umfang des Bildschirms übernehmen. In erster Näherung kann dieser Aufbau als Variante des Helmholtz-Resonators betrachtet werden und für die Berechnung kann die gleiche Formel (1) verwendet werden, jedoch in transformierter Form – für die Variante „ohne Rohr“:
wo Fb - Resonanzfrequenz, Hz; Vc – Kammervolumen, cm; Sb – Anschlussfläche, cm2; k - Lochformfaktor (k = 1-1,25). Für die Berechnung des Bildschirms ist die Formel in dieser Form jedoch äußerst unpraktisch, da alle Größen auf der rechten Seite miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist das Ausmaß und sogar die Richtung des Einflusses bestimmter Parameter unklar. Daher wurden praktische Formeln zur Berechnung des Bildschirms abgeleitet (Formelherleitung und -analyse am Ende des Artikels). Für eine vorläufige Berechnung der Siebfläche wenden wir folgende Formel an:
wobei S die Bildschirmfläche in cm2 ist. Wie man sieht, erscheint in Formel (3) nur der Bildschirmbereich. Wo sind die restlichen Einstellungen geblieben? Eine sorgfältige Analyse ergab, dass die Abstimmfrequenz nur geringfügig von der Form des Bildschirms und der Höhe seiner Installation abhängt (Abstimmung innerhalb von 10 % des Durchschnittswerts). Daher reicht es für eine vorläufige Berechnung aus, die Durchschnittswerte dieser Parameter durch den Wert des Koeffizienten im Zähler zu berücksichtigen. Und für die endgültige Berechnung wenden Sie die genaue Formel (4) an, die unten angegeben ist. Es lässt sich leicht berechnen, dass bei Frequenzen unter 120 Hz die Bildschirmfläche über dem Regal mehr als 1,2 m2 beträgt und eine weitere Reduzierung der Abstimmfrequenz durch die Größe des Fahrzeugs begrenzt ist... Die genaue Abstimmfrequenz wird durch die Formel bestimmt
wo h - Bildschirminstallationshöhe, cm; j – Koeffizient der Bildschirmform, gleich: 2,03 – für einen runden Bildschirm; 2,17 - für einen quadratischen Bildschirm; 2,25 – für einen rechteckigen Bildschirm mit einer Ausdehnung von 2:1. Zur experimentellen Überprüfung wurde ein Bildschirm mit den Maßen 0,99 x 0,46 m auf der verstärkten Heckablage des Wagens IZH-2126 „Oda“ installiert. Als Auslegungsabstimmfrequenz für die Berechnung nach Formel (3) wurde 200 Hz gewählt, verfeinert nach Formel (4) - 215 Hz. Beim Justieren und Anhören stellte sich heraus, dass die optimale Bildschirmeinbauhöhe im Bereich von 25 ... 40 mm liegt. Durch diese Maßnahme gelang es, den „Ausfall“ des Frequenzgangs im Mittelbassbereich zu beseitigen und die Resonanzspitzencharakteristik der eingesetzten Köpfe zu glätten. Skizzen der Regalteile werden nicht angegeben, da bei Fahrzeugen anderer Marken die Abmessungen abweichen. Der Schirm besteht aus Sperrholz mit einer Dicke von 9 mm, zur Erhöhung der Steifigkeit ist an der Unterseite des Schirms eine Duraluminiumecke 20x20 mm angebracht. Der Bildschirm wird mit sechs langen Schrauben mit Flanschmuttern am Regal befestigt, wodurch Sie die Höhe der Installation anpassen können (Abb. 5).
Es ist klar, dass ein solches Design einen Subwoofer nicht ersetzen kann, aber es kann die Basswiedergabe unter 200 Hz selbst bei den günstigsten Lautsprechern verbessern. Aus diesem Grund wurde die Idee des Autors aufgegriffen und in einigen russischen Städten begannen Autodienste sogar mit der Produktion von abgeschirmten Akustikregalen für gewöhnliche Autos in kleinem Maßstab. Neben der Verbesserung der Tieftonleistung ist es für Verbraucher auch wichtig, dass die Lautsprecher in einem solchen Regal nicht sichtbar sind und das Auto nicht die Aufmerksamkeit von Eindringlingen auf sich zieht. Und Sie können etwas darauf legen, ohne den Diffusor zu blockieren. Erläuterungen und Kommentare bei der Herleitung der Formeln (3) und (4) Für Phasenwechselrichter mit relativ großer Fläche (wenn die charakteristische Größe des Ports viel größer ist als seine Tiefe) in Formel (1) kann der Term I gleich Null angenommen werden:
wo Fb - Resonanzfrequenz, Hz; Vc – Kammervolumen, cm3; Sb – Anschlussfläche, cm2; k ist das Seitenverhältnis des Lochs. Normalerweise wird diese Formel in der Literatur in einer etwas anderen Form angegeben (2), wobei k (bereits ohne Grad!) als Formfaktor des Lochs bezeichnet wird und seine Grenzwerte angegeben werden: 1 für runde und quadratische Löcher und 1,25 für einen langen Slot. Am Wesen der Berechnung ändert sich dadurch nichts; Die Angabe von Grenzwerten ist aus praktischen Gründen praktisch, verbirgt jedoch die physikalische Bedeutung dieses Koeffizienten. Für die Formel in der traditionellen Darstellung wird der Fall eines Flachbildschirms überhaupt nicht berücksichtigt; dementsprechend wird der Wert des Koeffizienten für eine solche Konfiguration in den Nachschlagewerken nicht angegeben, was die Analyse erschwert. In der Originalveröffentlichung [2] trug dieser Umstand zu einem Fehler und falschen Schlussfolgerungen bei (mit denen sich tatsächlich keiner der Leser befasste – die Praxis war überzeugender als die Theorie). Zur Vereinfachung der weiteren Analyse führen wir den „idealen“ Koeffizienten der Bildschirmform i ein:
wobei P der Umfang des Bildschirms ist: S ist die Fläche des Bildschirms. Für einen Kreis ist es minimal und beträgt 3,54, für ein Quadrat - 4, für ein Rechteck mit einem Seitenverhältnis von 2:1 - 4,24. Eine weitere Verlängerung des Bildschirms ist schon aus Layout-Gründen nicht sinnvoll. Die Quadratwurzel der Bildschirmfläche ist nichts anderes als ihre "charakteristische" Größe:
Die Öffnung in diesem akustischen Design ist kein Loch, sondern die Grenze zwischen dem Luftvolumen unter der Leinwand und dem umgebenden Raum. Daher ist die Fläche dieses „Ring“-Anschlusses das Produkt aus dem Bildschirmumfang und der Höhe seiner Installation. Dabei ist das Volumen unter der Leinwand das Produkt aus ihrer Fläche und der Einbauhöhe. Lassen Sie uns die Anschlussfläche durch den Siebumfang und seine Einbauhöhe h ausdrücken und das Kammervolumen durch die Siebfläche und die gleiche Einbauhöhe. Das Seitenverhältnis eines Lochs ist das Verhältnis des Umfangs zur Höhe. Wenn wir auf die „effektive“ Größe und den Koeffizienten übergehen, erhalten wir
Durch Einsetzen des Ausdrucks (6) für die "charakteristische" Größe erhalten wir schließlich
Einfluss von Siebform und -größe Abhängig von der Form des Bildschirms nimmt der Zähler der Formel (7) die folgenden Werte an: runder Bildschirm - 2,03; quadratischer Bildschirm - 2,17; rechteckiger Bildschirm mit Dehnung - 2:1 - 2.25. Somit liefert ein runder Schirm bei gleicher Fläche die minimale Abstimmfrequenz. Im Allgemeinen ist der Einfluss der Bildschirmform unbedeutend – beim Übergang von einem Kreis zu einem Quadrat gleicher Fläche erhöht sich die Abstimmfrequenz nur um 7 %. Auch der Einfluss der Einbauhöhe ist unbedeutend – bei einer Änderung von 3 auf 15 cm sinkt die Abstimmfrequenz um 7 %. Eine weitere Erhöhung der Bildschirmhöhe ist sinnlos. Die Bildschirmfläche erweist sich als effektivster Verstellmechanismus Durch Einsetzen der durchschnittlichen Einbauhöhe und des Formfaktors erhalten wir eine praktische Formel zur Vorberechnung
wo Fb - Resonanzfrequenz, Hz; S - Bildschirmfläche, cm2. Literatur
Autor: A. Shikhatov, Moskau
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