Расчет динамиков для акустики

Расчет динамиков для акустики

Акустические системы: подбор, расчет, настройка, изготовление

Чтобы самостоятельно собрать акустическую систему (АС), нужно понимать ее устройство. В общем случае в конструкцию АС входят динамики, заключенные в корпус, и усилитель.

Корпус
Корпус – это первый важный элемент колонок, в который помещены остальные комплектующие. Он отвечает за воспроизведение звука на низких частотах и разделяет динамики, препятствуя их воздействию друг на друга, а также играет эстетическую роль.
Чтобы добиться звука высокого класса, нужно грамотно выбрать форму корпуса. Способы разрыва акустического замыкания и называют акустическим оформлением и каждый из них призван затруднить проникновения воздуха с одной стороны диффузора на другую. Основных вариантов разрыва акустического короткого замыкания несколько. Самый простой — использование листового материала в середине которого вырезано отверстие под динамическую головку. Называется это акустическим экраном.
Немного более сложный способ — открытый ящик, т.е. ящик без задней стенки.
Оба приведенных выше способа имеют слишком маленькую эффективность, поэтому практически не используются лишь в тех случаях, когда «на безрыбье и рак — рыба».
Гораздо эффективней использование закрытого ящика, причем в таких АС особое внимание уделяется герметичности ящика — любая щель в ящике будет давать призвуки, поскольку в ящике возникает и достаточно большое давление (когда диффузор идет внутрь ящика), и достаточно большая разряженность (когда диффузор перемещается наружу)
Следующим вариантом акустического оформления служит ящик с фазоинвертором, в данном случае это прямоугольное отверстие расположенное в строго вычисленном месте передней панели акустической системы. Однако этот вариант может быть выполнен и с использованием трубы:
К плюсам данных вариантов относится повышенная отдача на частоте, на которую рассчитывается фазоинвертор, основное назначение которого инвертировать, т.е. изменить фазу на противоположную. В результате в пространство звук излучается не только передней частью диффузора, но и задней, фаза которого изменена фазоинвертором.
Более сложный вариант акустического оформления — акустический лабиринт. Суть этого варианта заключается в том, что хода внутри АС располагаются таким образом, чтобы на определенной частоте возникает резонанс и как следствие — большое увеличение отдачи на этой частоте. К расчету и точности изготовления подобных систем следует относится очень серьезно, поскольку велика вероятность возникновения «стоячих» волн в лабиринте. В этом случае качество звучания будет даже хуже, чем у варианта с акустическим экраном.
Еще большую отдачу на резонансной частоте позволяет получить рупорный вариант.
Отличие рупорной АС от АС с лабиринтом заключается в том, что направляющая звуковых волн у них изменяется по разным законам — рупорная либо расширяется конусно по всей длине, либо по экспоненте. Лабиринт же может иметь одинаковое окно по всей длине, может расширяться или наоброт сужаться, но всегда линейно. Кроме этого у АС с лабиринтом в работе принимают участие и фронтальная и тыловая часть диффузора, а у рупорных может излучать как одна, так и обе стороны.
Следующим вариантом исполнения акустического оформления служит бандпасс или полосовой резонатор, этот вариант отличается от всех предыдущих прежде всего тем, что он излучает только на частоте резонанса и требует строжайшего соблюдения расчетных размеров.
Последние три варианта в основном рассчитаны на использования низкочастотной динамической головки, а предудущие вполне пригодны и для широкополосной АС. Поэтому, если акустическая система имеет кроме НЧ динамиков другие, например СЧ и ВЧ, то врезать их в корпус с НЧ динамиком не рекомендуется.
В любом случае для расчета размеров АС потребуются характеристики динамической головки, в частности параметры Тиля-Смолла. Если этих данных нет, но прежде чем взятся за расчет размеров корпуса АС их необходимо получить. Описание методик получения этих параметров довольно много — достаточно воспользоваться любой поисковой машиной.
Разумеется, что это далеко не все виды акустического оформления — это самые популярные.
Размеры корпуса расчитываются с использованием специальных программ для расчета корпусов АС.
Сабвуферы воспроизводят низкочастотный звук, поэтому для них чаще используют кубическую форму. В сабах обычно устанавливают фазоинвертор, являющийся полой трубой, фокусирующей звуковые волны и проходящей сквозь одну из панелей.
Материал корпуса также бывает разным. Для качественного звука используют ДВП, ДСП, неплотную фанеру. Хорошо подходит дерево, но такая акустика получается тяжелой и массивной, поэтому деревянными обычно делают напольные колонки. Хороший корпус получается из специальных полимеров, но качество звука немного ухудшается. Дешевые АС выполняют из простого пластика. Такой материал плохо поглощает звук, что приводит к образованию лишних шумов. А если увеличить громкость до максимума, будут слышны гудение и гул.
Так же, частично компенсировать недостатки пластиковых колонок можно, выполнив изнутри их отделку звукоизоляционным материалом, в качестве которого обычно используют поролон.

Динамики
Динамики – основная составляющая часть акустической системы, так как именно они производят звуковые волны. В их конструкцию входит постоянный магнит, создающий непрерывное магнитное поле независимо от окружающих условий. Чаще всего он ферритовый. На дорогой акустике используются неодимовые магниты.
Магнитное поле окружает вторую важную составляющую динамиков – медную катушку, на которую воздействует переменный ток от розетки, батареи или USB разъема. Под воздействием тока и в окружении магнитного поля она совершает перпендикулярные колебания. Это заставляет вибрировать диффузор, что влечет колебания воздушных масс, воспринимаемые человеческими органами слуха как звуковые волны. Диффузорная мембрана изготавливается из полимеров или натуральных материалов, например, целлюлозы. На дорогой акустике используются тонкие пластинки из титана. От свойств материала зависит качество звучания.
В зависимости от воспроизводимых частот, динамики бывают низкочастотными (сабвуферы, 20-120 Гц), среднечастотными (основной звуковой диапазон, до 5 кГц) и высокочастотными (твиттеры, от 2 до 20 кГц). Сабвуферы имеют самые большие размеры, твиттеры — самые маленькие.

Усилитель
АС бывает активной или пассивной. В первом случае в колонки встраивается отдельный усилитель, преобразовывающий сигнал под мощность динамиков. Без этой детали звук будет очень тихим. Тогда как пассивная акустика подключается к внешнему усилителю звука специальным кабелем с клеммами. Данные аудиоусилители могут не только преобразовывать мощность сигнала, но и собирать и объединять аудиодорожки от нескольких колонок в многоканальной акустике. Для преобразования аудиосигнала может использоваться не только усилитель, но и ресивер.

Общий принцип работы
Схематически принцип действия АС выглядит следующим образом. Источник звука отправляет аудиосигнал на усилитель. Последний его обрабатывает и посылает на динамики в виде электрических импульсов. Ток поступает на катушку и вместе с магнитным полем воздействует на нее. В результате этого катушка движется вверх и вниз с различной амплитудой. От этого с такой же синхронностью движется диффузор, создавая звуковые волны различной громкости.

Для нас с вами эти параметры очень важны, так как они используются для расчета правильного акустического оформления динамика или проще — для расчета корпуса динамиков. Ниже мы подробнее рассмотрим основные параметры для понимания звуковых процессов и нюансов при выборе динамиков.

Параметры (Fs, Qts, Vas):

Fs — резонансная частота динамика
Резонансная частота (Fs) — частота резонанса динамиков без акустического оформления (без корпуса).
Fs меньше 25 Гц считается низкой, а больше 40 Гц — высокой. Резонансная частота зависит от общей жесткости подвеса и массы его подвижной системы. Общая жесткость, в свою очередь, зависит от жесткости центрирующей шайбы и жесткости подвеса диффузора.

Qts — полная добротность
Полная добротность (Qts) — это упругость (контроль) динамика в районе резонансной частоты (Fs).
Другими словами — чем выше добротность, тем сильнее «болтается» саб в районе своей резонансной частоты (Fs), а чем ниже, тем эффективнее колебания гасятся (контролируются).
Складывается из механической добротности, которая зависит в основном от материала центрирующей шайбы, а не подвеса диффузора, как многие думают и электрической добротности, зависящей от величины магнита, длины обмотки катушки и ширины зазора в магнитной системе. От полной добротности механическая составляет 10-15%, а электрическая 90-85%, соответственно. Низкой добротностью считается значение 0.3-0.35, высокой — 0.5-0.6.

Vas — эквивалентный объем
Эквивалентный объем (Vas) — объем воздуха в корпусе, обладающий той же упругостью, что и динамик. Зависит от жесткости подвеса и площади диффузора (диаметра) динамика. Чем больше диаметр и мягче динамик, тем больше Vas.
Нужно отметить особенность связи Vas и Fs. Так как, резонансная частота (Fs) определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем (Vas) — диаметром диффузора и той же массой подвижки, может получится, что два динамика одного диаметра и с одинаковой Fs будут совершенно разными — один тяжелый и жесткий, другой легкий и мягкий. Соответственно, эквивалентный объем для этих динамиков будет совершенно разным, как и размер правильного корпуса — вот почему данный параметр очень важен при расчетах короба для динамиков.

Используйте параметры Тиля — Смолла для того, чтобы рассчитать корпус для динамиков. Применяйте эти параметры для правильного выбора типа корпуса динамиков (ЗЯ, ФИ, ЧВ, FreeAir) или для подбора динамика под задуманный тип.

Перед тем, как приступить к изготовлению АС, нужно подготовить проект колонок. Сначала необходимо правильно выбрать форму. Лучше остановиться на более простом классическом прямоугольном исполнении или кубическом, если планируется сделать сабвуфер. Если колонка будет низкочастотная, нужно максимально точно вычислить ее объем, а также форму и положение фазоинвертора. В противном случае басы будут некачественными, а значит, эффекта от самодельного сабвуфера не будет.
После выбора формы нужно определиться с габаритами. Если внутри конструкции будет несколько динамиков, устройство должно быть высоким. Можно сделать колонку узкой, внутреннего объема хватит для обеспечения качественного звука. Рассчитывать объем следует достаточно приблизительно, отталкиваясь от диаметра и мощности низкочастотного динамика, если он присутствует в колонке. Точность в данном случае не имеет смысла, так как отклонения звуковой амплитуды от идеальной прямой линии услышать не может практически никто.
Следующий шаг – это подбор материала. Для корпуса лучше купить МДФ, но можно и другой материал, если он будет достаточно жестким, чтобы стенки не деформировались от вибрации динамиков, а также легким и иметь подходящую цену. Например, можно использовать многослойную фанеру, легко поддающуюся обработке. После сборки ее можно задекорировать шпоном. Недостаток данного материала – слабая твердость, поэтому внутрь потребуется установить ребра жесткости. Также можно использовать ГВЛ или ЦСП. Они имеют высокие звукоизолирующие свойства, что позволит сэкономить на материале для внутренней отделки, но при этом сложны в обработке и достаточно тяжелы. Не следует выбирать цельное дерево, так как зачастую оно гнется и создает резонанс, а также быстро рассыхается и портится. Не рекомендуется работать и с пластиком, потому что добиться с ним хорошего результата в домашних условиях очень сложно.

Необходимые материалы и инструмент:
Для самостоятельного изготовления домашней АС, которую можно использовать для компьютера, телефона, телевизора и так далее, потребуются следующие материалы:

• два 3-ваттных динамика;
• штекер mini Jack 3,5 мм для подключения к источнику звука;
• цифровой звуковой усилитель РАМ 8403 (можно купить недорого на Алиэкспресс);
• переключатель для включения акустики;
• соединительные провода для контактов;
• термоусадка, изолента;
• провод с USB штекером для подключения к ноутбуку, ПК или к зарядному устройству от телефона;
• фанера, МДФ или иной материал на основе дерева для изготовления корпуса;
• саморезы.

Важно! Mini Jack должен быть трехконтактным –левый, правый и общий каналы. Не стоит приобретать четырехконтактный, так как использование микрофонного (четвертого) контакта не предусмотрено схемой конструкции.
В качестве аудиоусилителя лучше использовать РАМ 8403, выделяющийся хорошим качеством и работой от напряжения 5 Вольт, что позволит будущей АС питаться как от USB ноутбука, так и от телефонного зарядного устройства.

Непосредственно для производства необходимы следующие инструменты:

• электропаяльник;
• клеевой пистолет, термоклей;
• канцелярский нож;
• спички или зажигалка;
• ножовка;
• лобзик;
• дрель;
• отвертка или шуруповерт;
• линейка, циркуль, карандаш;
• лист наждачной бумаги;
• кусачки.

Процесс изготовления домашней АС предполагает использование одной пары динамиков, воспроизводящих средние частоты. Акустика высокого класса обычно имеет несколько полос и включает в себя ряд компонентов: среднечастотные и высокочастотные динамики, а также сабвуфер.

Домашняя АС
Акустическую систему для дома можно изготовить из автомобильных динамиков мощностью 3Вт каждый. Для этого необходимо выполнить определенную последовательность действий.

• Зачистить концы проводов и припаять их к усилителю звука. Запомнить, где плюс и минус.
• Соблюдая полярность, разделить провода на левый и правый каналы, припаять их к динамикам, а затем обмотать изолентой, чтобы закрепить между собой.
• Припаять два провода к усилителю для подключения питания и определить, где плюс и минус.
• Зачистить жилы кабеля с USB штекером и один из концов припаять к кнопке включения.
• Затем, соблюдая полярность, один из проводов питания, подключенных к усилителю, припаять ко второму контакту кнопки, а оставшийся соединить со свободным проводом USB штекера, изолировать провода термоусадкой.
• Припаять к 3,5 мм штекеру трехжильный кабель.
• Затем свободные концы провода припаять к аудиоусилителю, соблюдая порядок каналов, сделать изоляцию с помощью термоусадки и термоклея.
• На листе фанеры или другого выбранного материала начертить прямоугольник, выпилить его и разделить на два одинаковых квадрата. В каждом из них начертить окружность и вырезать отверстия, таким образом изготовив посадочные места для динамиков.
• Вырезать две трапецевидные боковые панели и еще две прямоугольные большей длины (верхняя и нижняя грани).
• Собрать каркас.
• На передней панели закрепить усилитель. Для этого необходимо высверлить отверстие под размер детали, а изнутри сделать небольшое углубление под плату.
• Прикрепить переднюю панель к каркасу саморезами.
• Отшлифовать корпус.
• Установить динамики и усилитель. Первые крепятся саморезами, второй – с помощью встроенной гайки.
• Вырезать посадочное место для кнопки включения и углубление для вывода проводов.
• Сделать заднюю крышку, закрыть корпус.
• Теперь можно приступить к проверке самодельной домашней компьютерной акустики.

АС высокого класса

• Чтобы сделать в домашних условиях двухполосную или трехполосную акустику высокого класса, рекомендуется предварительно поискать в сети готовые проекты и фото такой техники и скачать чертежи колонок с размерами. Это необходимо, чтобы самостоятельно не рассчитывать нужные габариты, внутренний объем акустики и другие параметры. Определившись, какая необходима мощность и тип АС (например, система 2.1 общей мощностью на 50 ватт), можно отыскать соответствующий шаблон и работать непосредственно с ним.
• Далее, когда проект выбран, нужно подобрать подходящий материал (МДФ или другой), перенести на него чертежи и вырезать детали самостоятельно или, для большей точности, отдав резчикам по дереву.
• Затем следует собрать корпус, герметизировать все стыки и выполнить отделку звукоизоляционным материалом.
• Следующий шаг — внутрь корпуса устанавливаются динамики, усилитель и другие комплектующие.
• После сборки конструкции все стыки и щели, а также места установки динамиков закрываются посредством герметика.
• Все, можно приступать к проверке акустической системы.

Доработка акустических систем – это процесс улучшения характеристик уже имеющихся колонок с целью получить более качественный звук. При этом подвергать доработке имеет смысл только ту АС, у которой есть хотя бы небольшой потенциал, то есть — технику средней ценовой категории.
Дешевые колонки доработке не подлежат, а дорогую акустику улучшать бесполезно, поскольку замена или модернизация одного компонента повлечет за собой изменение других, в результате стоимость усовершенствованной АС будет приблизительно равна новым колонкам.

Улучшение электрической цепи
Данный процесс выполняется просто: имеющиеся элементы меняются на более качественные. Злектролитические конденсаторы можно заменить пленочными, металлобумажными или металлопленочными. Если катушка сделана из тонкой проволоки, намотанной на металлический сердечник, допускается вместо нее использовать другую, имеющую вид медного толстого провода сечением около 1 мм2 и без сердечника. Можно провода, соединяющие динамики и усилитель, заменить специальным акустическим кабелем или толстой проводкой из меди. Если акустика маленькая, сечение кабеля может быть от 1 до 1,5 мм2. Для больших динамиков нужно брать провод не тоньше 2,5 мм2, а также потребуется заменить клеммы на подходящие под размеры.

Улучшение корпуса
Для систем типа 2.1 или 5.1 с маленькими колонками есть смысл модернизировать только корпус низкочастотного сабвуфера — необходимо улучшить жесткость, чтобы качество звука не ухудшалось от дребезжания и вибрации. Между верхней и нижней гранями достаточно одной распорки, а между боковыми сторонами, если внутренний объем акустики более десяти литров, – нужно как минимум две распорки. Проще всего просверлить противоположные стенки и стянуть их болтами. Другое решение – установить внутри деревянные бруски, закрепив их на клей или шурупы. Далее необходимо провести тщательную герметизацию. Из корпуса удаляют все, что там находится, и скрупулезно обрабатывают полость внутри герметиком, например, битумной мастикой. После высыхания процедуру следует повторить. По окончании такой доработки нужно герметиком либо замазкой закрыть места на стыках динамиков, а также задней панели с корпусом.
Запрещается при герметизации внутренней поверхности колонок использовать материалы, которые после затвердевания становятся жесткими и ломкими. Все операции нужно проводить на открытом воздухе из-за специфического запаха.

Увеличение объема колонок
Если во время работы колонок слышен гул, можно частично увеличить их внутренний объем. Для этого нужно распушить вату и уложить внутрь, предварительно взвесив тот синтепон, который там был. В одном литре корпуса должно содержаться 25 грамм материала. Если его мало, можно добавить распушенную вату до нужного количества. Можно и больше, но только если гул не прекратится. В результате этой процедуры низкие частоты станут слышны чуть меньше, но и гул пропадет.
Другое решение – оклеить стенки изнутри ватином или войлоком. Не допускается использовать большое количество клея, иначе материал будет плотным и неэффективным. Толщина такого уплотнения не должна превышать 15 мм.

Сообщение отредактировал Woertz — 04.06.21, 06:29

Источник