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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Projetando um alto-falante com fluxos de radiação ortogonais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Alto-falantes O artigo propõe uma variante de cálculo simplificado do projeto de um alto-falante com fluxos ortogonais de radiação para frente e para trás. Os recursos de operação deste alto-falante são descritos no artigo "Curto-circuito acústico em um alto-falante e sua superação"(Rádio, 2003, nº 1). Uma das vantagens de tal design acústico é que a frequência de ressonância da cabeça do baixo na caixa praticamente não aumenta. Uma das opções para superar um curto-circuito acústico em alto-falantes com cabeçotes eletrodinâmicos é o projeto proposto pelo autor [1] com um fluxo de radiação retrógrado ortogonal à radiação direta (por brevidade, chamaremos tal projeto do tipo "ORTHO" ). Ondas acústicas da radiação reversa (traseira) da cabeça, propagando-se no volume da caixa do alto-falante, no processo de reflexão mudam sua direção em um ângulo de até 270 ° em todas as frequências irradiadas e adquirem um atraso de tempo em relação a as ondas irradiadas frontalmente (vetores A e B na Fig. 1) . Se o guia de onda de radiação traseira da cabeça for excluído, então com um AO aberto, ocorrerá compensação acústica de vibrações emitidas pelas superfícies externas e traseiras do difusor do alto-falante. No caso e principalmente no guia de onda do alto-falante, é aconselhável alisar os cantos com "carenagens", conforme mostrado na Fig. 1 com linhas tracejadas.
O painel frontal 2 é colocado no invólucro 1 em um determinado ângulo de modo a suavizar as ressonâncias acústicas decorrentes da reflexão das vibrações acústicas no plano transversal do invólucro, bem como para igualar o volume interno com o guia de ondas. Definir a mesa de som de um acordeão de concerto em um ângulo diferente do reto foi usado pela primeira vez pela empresa alemã HOHNER no final dos anos 30 do século passado. Esse deck "quebrado", formando o timbre do instrumento, confere ao som suavidade e aveludado. Em alto-falantes com fluxos ortogonais de radiação direta da cabeça e do guia de ondas, a radiação total pode ser considerada como vibrações sonoras de algum radiador equivalente. Por exemplo, para sinais harmônicos em diferentes frequências, fases variáveis \uXNUMXb\uXNUMXbdo fluxo ortogonal das oscilações acústicas atuam e, como resultado, aparecem direções pronunciadas ("pólos") da radiação total (sua análise matemática é muito complicada). Devido à ambigüidade da fase da radiação de retorno e atenuação diferente no guia de ondas (para uma ampla faixa de frequência), os pólos são móveis e, portanto, não localizados pelo ouvido. As fórmulas para calcular as variantes conhecidas de AO [2, 3] mostraram-se inadequadas para projetar os alto-falantes propostos em [1]. Ao procurar um método conveniente e visual para o cálculo do projeto, decidiu-se tomar o diâmetro externo D do cabeçote eletrodinâmico como base para projetar e expressar todas as dimensões da estrutura do alto-falante por meio desse parâmetro. Isso acabou sendo muito conveniente para a prática de design quando não há literatura técnica relevante. Como resultado de uma grande quantidade de trabalho experimental, foram estabelecidas dependências, a partir das quais é possível determinar qualquer tamanho de gabinete de alto-falante ORTHO. As designações são dadas de acordo com a fig. 1: H \u2d (2,4 ... 1,2) D - altura da caixa; B \u0,9d 3D - largura do painel frontal; F = 0,7D - altura da tela do guia de ondas 5; h = 0,9D - distância do centro do cabeçote 1 até a borda inferior do painel frontal; Do - 1,8D - diâmetro do furo da cabeça; G = B - profundidade do corpo 2; C \u0,5d 2D - altura do painel 2; M é a distância entre o painel frontal e as paredes da caixa; b - espessura do material do corpo; S ≥ 3DXNUMX= M(B - XNUMXb) - área permitida das seções de passagem do guia de ondas XNUMX. Duas ou mais cabeças dinâmicas podem ser instaladas no painel 2, caso em que as dimensões do invólucro deverão ser ajustadas levando em consideração a relação entre a área do difusor e a seção transversal do guia de ondas.
Em contraste com uma caixa fechada, neste design, o efeito acústico do fluxo de som traseiro é mais fraco, porque quase toda a energia acústica da radiação de retorno da cabeça passa pelo guia de ondas para o espaço sonoro. A este respeito, aglomerado (aglomerado) ou compensado com espessura de 8 ... 16 mm podem ser usados como material de alto-falante (tamanho maior é indicado para um alto-falante de 100 W). Isso permite reduzir o peso do gabinete do alto-falante. Seus elementos são interligados com a ajuda de ripas, cola própria para colar madeira e parafusos. O diâmetro do orifício Do sob a cabeça é escolhido igual ao diâmetro externo da ondulação do difusor. O orifício está localizado ao longo do eixo vertical de simetria do painel frontal. A grade do alto-falante e o acabamento do gabinete podem ser feitos de acordo com o gosto artístico e as capacidades do rádio amador. Para a grade de proteção, o autor utilizou uma malha fina, recortada em forma de quadrado e esticada em pontos de apoio. O tecido protetor é colado a um anel de metal fixado dentro do furo do painel. A contracapa 6 deve ser rígida; é fixado com parafusos nos trilhos 7 montados nas paredes da caixa 1. Ao mesmo tempo, as superfícies de contato são seladas com uma fita de folha fina de borracha. Sob o corpo 1 existem suportes 4 feitos de barras de borracha dura. Observe que é preferível instalar a caixa do alto-falante em um suporte de até 1 m de altura do que colocá-la diretamente no chão. O design acústico do tipo "ORTHO" é eficaz o suficiente para instalação na parede e até no teto. Os alto-falantes AU podem ser passivos ou ativos (com UMZCH integrado). Os conectores elétricos são instalados na parte inferior da parede traseira. Observações especiais devem ser feitas sobre a escolha dos cabeçotes para tais alto-falantes. O autor recomenda o uso de cabeças dinâmicas domésticas, cuja lista e características técnicas podem ser encontradas em [4]. Em comparação com os tipos conhecidos de AO, o alto-falante construído do tipo "ORTHO" desenvolve quase o dobro da potência acústica no espaço próximo. Devido ao recebimento de dois fluxos de radiação ortogonais, esse design acústico permite obter um som mais "surround" na sala de audição. Se a cabeça 5 (LF-MF) não for suficientemente larga, uma cabeça dinâmica de alta frequência pode ser instalada na tela externa do guia de ondas, conectada ao UMZCH através do HPF. Você também pode instalar um indicador de sobrecarga AC lá. Nesse alto-falante, cabeçotes eletrodinâmicos com diâmetro de 100 a 450 mm podem ser instalados. O autor recomenda o uso de drivers de banda larga com baixo fator de qualidade mecânica e grande diâmetro do cone. Se a cabeça tiver um aumento perceptível na resposta de frequência na frequência da ressonância eletromecânica, o fabricante do alto-falante deve entender que isso cria muitos problemas desnecessários e trabalho para si mesmo. A supressão de ressonância pode ser realizada eletricamente e mecanicamente. No primeiro caso, um circuito oscilatório paralelo deve ser conectado em série com a bobina de cabeça, sintonizado na frequência da ressonância eletromecânica. O fator de qualidade do circuito deve corresponder ao fator de qualidade do cabeçote usado. Para realizar as medições apropriadas, você precisa ter um gerador de frequência de áudio, um voltímetro, um microfone condensador, um medidor de frequência, um medidor de indutância e capacitância, usando a metodologia de acordo com GOST 16122-70. Mas deve-se ter em mente que o fator de qualidade da cabeça não é de forma alguma um valor constante; depende da amplitude das oscilações do difusor e da flexibilidade limitada da suspensão mecânica. Outro método de supressão da ressonância eletromecânica é realizado introduzindo perdas acústicas no alto-falante, preenchendo a caixa com algodão, feltro ou outros materiais semelhantes ou ressonadores sintonizados na frequência da ressonância eletromecânica do alto-falante. O cálculo da frequência do ressonador Helmgolyd é realizado de acordo com a fórmula fr = 0,5/π-Cv√s/(Vl), onde V é o volume da caixa do ressonador, m3; s é a área da saída do ressonador, m2; l é o comprimento do orifício do ressonador em metros; Cv é a velocidade de propagação do som no ar, 340 m/s. O design do ressonador de Helmholtz se assemelha a uma garrafa. A propósito, o gabinete do alto-falante, equipado com um inversor de fase, também é um ressonador. É isso que leva à distorção na reprodução dos sons de baixa frequência emitidos pelos alto-falantes. O ressonador embutido foi instalado no alto-falante do rádio Symphony, que reproduz as baixas frequências de forma bastante monótona: na forma de batidas fortes, independentemente do tipo de instrumento musical. Isso, aparentemente, levou ao abandono do uso de tal design de alto-falante, que era usado na década de 30 do século passado em receptores de rádio com caixa aberta [6]. O alto-falante "ORTHO" realmente irradia dois fluxos de som: A e B (Fig. 1). Consequentemente, as medições acústicas também devem diferir da metodologia geralmente aceita definida pelo GOST acima mencionado. A pressão sonora de cada fluxo é medida separadamente em uma câmara anecóica, uma grande sala anecóica ou simplesmente no ar em clima calmo usando o equipamento listado acima. A colocação do microfone de medição e do alto-falante é mostrada na fig. 2, e o diagrama de blocos do suporte para medir a sensibilidade característica (eficiência) do alto-falante de medição de resposta de frequência é mostrado na fig. 3.
Como gerador de sinal que excita o alto-falante, você pode usar um poderoso gerador de ruído, por exemplo, tipo G2-12, que possui uma saída de baixa impedância. Se você usar um gerador de ruído de baixa potência, precisará de um UMZCH, de preferência sem transformador. Deve-se ter em mente que a forma da resposta de frequência dos alto-falantes será significativamente suavizada, o que é bastante consistente com a situação real, uma vez que os espectros da fala e da música são de banda larga e os sinais são semelhantes ao ruído. A distância entre o alto-falante e o microfone de medição é escolhida dentro de r = (2...4)d, onde d é o tamanho médio do cone do alto-falante. Na maioria das vezes, r = 1 m é usado [2]. A tensão fornecida ao alto-falante é calculada pela fórmula você=√0,1PnomRhom, (3) onde Pnom é a potência nominal do alto-falante; Rhom é a impedância de entrada nominal do alto-falante. Ao testar a potência nominal, a tensão senoidal é igual à tensão nominal e a tensão de ruído é 0,707 da tensão nominal. O medidor de pressão sonora é um microfone condensador BM1 conectado à entrada de um milivoltímetro PV2 (por exemplo, VZ-33). A pressão sonora depende da frequência, portanto as medições são realizadas em pelo menos dez pontos de resposta de frequência. Se as medições forem realizadas usando sinais de ruído, no suporte de medição de acordo com o esquema da Fig. 3, é introduzido um filtro de um terço de oitava, em cuja frequência média são feitas medições de pressão sonora. O número desses filtros é determinado pela largura da resposta de frequência. Se já houver quedas e picos de 1/8 de oitava na resposta de frequência, eles não serão levados em consideração. O valor da pressão acústica medida é determinado pela fórmula p \uXNUMXd Uo / Eoc, onde Uo - tensão na saída do microfone de medição, mV; Eoc - sensibilidade do microfone de medição ao longo do eixo na frequência medida, mV/Pa. Para aumentar a precisão das medições, é desejável que o diâmetro do microfone seja o menor possível, pois aproxima o método das medições em uma onda plana. O uso de microfones eletrodinâmicos, que possuem uma grande irregularidade de resposta de frequência, permite obter resultados de medição apenas de natureza qualitativa. Os microfones condensadores de eletreto, assim como os de fita, têm características um pouco melhores. O microfone de medição deve ter um passaporte emitido pela organização metrológica. A pressão sonora média de acordo com a resposta de frequência obtida é determinada pela fórmula
onde pk é a pressão sonora desenvolvida pelo alto-falante na frequência fk ou a frequência média do k-ésimo filtro de um terço de oitava; n é o número de frequências ou bandas de medição (deve haver pelo menos 10). Quando a irregularidade da resposta de frequência é inferior a 12 dB, o valor médio aritmético é determinado pela fórmula
A sensibilidade característica do alto-falante Ex, obtida a uma distância de 1 m no eixo de trabalho entre o microfone de medição e o alto-falante (com potência de entrada de 1 W), é determinada pela fórmula Ex = Рmédia/(l√P), onde pav é a pressão sonora média, Pa, desenvolvida pelo alto-falante na faixa de frequência nominal; l - distância do centro de trabalho da cabeça ao microfone de medição, m; P - potência elétrica, W, fornecida ao alto-falante. Uma faixa de frequência efetivamente reproduzível é encontrada a partir da resposta de frequência do alto-falante, determinando as frequências correspondentes aos pontos de interseção de uma linha reta paralela ao eixo de frequência com a resposta de frequência do alto-falante. Uma linha reta é traçada 10 dB abaixo da pressão sonora média na banda de frequência de oitava pav.oct, correspondendo à sensibilidade máxima do alto-falante. Este nível é determinado pela fórmula
onde ro = 2-10-5 Pa - limiar auditivo na frequência de 1000 Hz. Para um sinal senoidal, o número de pontos de referência deve ser de pelo menos 7 (a cada 1/6 de oitava), para filtros de um terço de oitava - pelo menos 3. A resposta de frequência desigual é determinada nas faixas de frequência nominal e operacional. A característica de diretividade é obtida em uma câmara amortecida ou ao ar livre girando o alto-falante em relação a um microfone de medição fixo a uma distância de 1 m por 5-10° na faixa de 0-360°. A largura da característica de diretividade é determinada a partir do gráfico no nível de 0,707 (-3 dB). A diretividade é determinada em uma ou mais frequências ou nas frequências médias de filtros de um terço de oitava ao fazer medições em sinais de ruído. Como decorre do exposto, para uma avaliação qualificada dos parâmetros do AS ou AO, é necessário realizar uma quantidade significativa de trabalhos e cálculos metrológicos. Considerando que para avaliar a eficácia do projeto acústico, é necessário medir a eficiência eletroacústica Kea=Pa/Pe onde Pa - potência acústica; Pe é a energia elétrica de entrada, então o número de medições acaba sendo bem grande. A potência acústica pode ser determinada pela fórmula Ra \u4d XNUMXπr2r2rsko, onde p - pressão acústica a uma distância r, Pa; p - densidade do ar; c é a velocidade de propagação do som, igual a 340 m/s; K, - coeficiente de concentração, que pode ser considerado igual a 1 ... 3 dependendo da frequência. Ao projetar um alto-falante do tipo "ORTHO", deve-se ter em mente que os parâmetros eletroacústicos listados acima dependem muito dos cabeçotes dinâmicos usados. Se a cabeça, por exemplo, não reproduzir baixas frequências, nenhum projeto de caixa poderá compensar essa deficiência. Esse design acústico não "estraga" a resposta de frequência do alto-falante e essa é uma das vantagens decisivas sobre os designs de alto-falante conhecidos. No projeto acústico proposto, é possível utilizar cabeçotes com difusores de configuração redonda, retangular ou elíptica. Ao instalar duas cabeças no painel frontal, você pode aumentar a potência nominal, a resistência à radiação e reduzir a resposta de frequência irregular. Literatura
Autor: V. Nosov, Moscou
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