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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Baixo no carro: soluções não padronizadas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Alto-falantes Como expandir a largura de banda de frequências efetivamente reproduzíveis em um sistema de alto-falantes automotivos a um custo mínimo? O autor, participante recorrente em competições de áudio automotivo e experimentador incansável, oferece soluções de design originais (com a aplicação de fórmulas de cálculo) que proporcionarão uma melhoria notável nos "graves" do sistema de alto-falantes sem uma redução significativa no volume útil do tronco. O principal problema que surge ao construir um sistema de alto-falantes em um carro é uma reprodução enfraquecida das frequências mais baixas da faixa. Um subwoofer pronto ou caseiro é a solução mais radical para o problema dos "graves". Porém, a carroceria em forma de caixa ocupa muito espaço no porta-malas, e as estruturas embutidas que repetem as complexas superfícies curvas do carro são muito trabalhosas de fabricar. Portanto, os subwoofers sem caixa, apesar de suas desvantagens inerentes, ainda são populares. A simplicidade da solução também desempenha um papel importante - para instalar um alto-falante (para motoristas - sinônimo de cabeça dinâmica) na prateleira traseira no design de ar livre, nenhuma qualificação especial é necessária. Porém, o método é adequado apenas para sedãs "reais", cujo porta-malas é separado do habitáculo por uma divisória. Caso contrário, a estanqueidade deste design acústico é muito condicional e a reprodução de baixas frequências se deteriora. Além disso, as dimensões da prateleira da janela traseira limitam o tamanho máximo das cabeças dinâmicas, portanto cabeças redondas de 6,5-8" de diâmetro ou cabeças elípticas de 6x9 (7x10)" são o limite para os veículos mais comuns. Os hatchbacks não têm esse problema, uma cabeça de subwoofer de quinze polegadas pode ser facilmente colocada na prateleira traseira. Mas não é tão fácil resolver o problema. Uma prateleira traseira frágil não é tão ruim, o verdadeiro problema é que é extremamente difícil isolar o volume do porta-malas do compartimento de passageiros. Como resultado, há mais problemas do que ganhos com essa solução: é irreal vedar as juntas da prateleira com as laterais do porta-malas e o encosto do banco traseiro. O design acústico, neste caso, não é mais uma caixa "condicionalmente fechada", mas uma tela acústica. Como resultado, as perdas por vazamento "consomem" todas as vantagens de um grande difusor. Aumentar a potência de entrada ou corrigir a resposta de frequência não salvará a situação. Felizmente, as perdas são significativas apenas em alta potência de entrada em frequências abaixo de 50 Hz. Eles diminuem com o aumento do volume do tronco (o grau de mudança na pressão diminui). As perdas podem ser ainda mais reduzidas usando alto-falantes com um volume de drive pequeno (área de cone menor e curso pequeno). No entanto, sua eficiência é baixa, portanto, esse caminho não tem interesse. O problema pode ser resolvido alterando o tipo de design acústico. Como nos hatchbacks a prateleira traseira para a instalação dos alto-falantes ainda precisa ser pelo menos reforçada e, no máximo, renovada, uma pequena complicação de seu design não é uma grande desvantagem. Além disso, são propostas duas opções para o projeto acústico de cabeças de baixa frequência em um carro, que foram repetidamente testadas na prática [1,2]. Tira alto-falante Do ponto de vista da eficiência máxima, é mais vantajoso usar um alto-falante passa-banda (bandpass). Primeiro, esse tipo de design acústico não reproduz sinais fora de banda. Portanto, o uso de filtros elétricos no caminho do sinal que formam a resposta de frequência do subwoofer não é mais estritamente obrigatório. Em segundo lugar, a eficiência de um alto-falante passa-banda é muito maior do que a de outros tipos de design acústico, o que permitirá o uso de um amplificador de potência relativamente baixa. Juntas, essas circunstâncias possibilitam que o subwoofer funcione diretamente da unidade principal (rádio). Isso é especialmente atraente para quem não deseja instalar um amplificador adicional. Para nossos propósitos, um sistema de quarta ordem é especialmente conveniente, composto por duas câmaras - fechadas e ressonantes, na partição entre as quais uma cabeça dinâmica é instalada. Usaremos o tronco como uma câmara fechada, e transformaremos a prateleira em uma câmara ressonante equipada com um inversor de fase (Fig. 1).
O contrário também é possível, mas não é fácil de implementar, pois possíveis vazamentos e principalmente o volume variável do tronco (depende do enchimento) afetam muito mais a afinação da câmara de ressonância do que a configuração de um um fechado. Sim, e é quase impossível saber o valor exato do volume do porta-malas necessário para os cálculos - nenhuma montadora dá com precisão de até um litro. Finalmente, a eficiência de tal variante de acordo com os resultados da simulação é visivelmente menor. Bandpass permite que você controle de forma flexível a resposta de frequência do sistema de alto-falantes. As principais características são determinadas pela câmara ressonante, e o volume da câmara fechada pode ser considerado uma ferramenta para ajustar a frequência ressonante e o fator de qualidade da cabeça. No entanto, no nosso caso, certas restrições entram em vigor: alguns parâmetros de design são "realidade objetiva" e não podem ser alterados arbitrariamente. Assim, o volume do porta-malas, nesta versão fazendo o papel de câmara acústica fechada, costuma ser de no mínimo 300 litros, sendo difícil variar. Felizmente, com a escolha apropriada dos parâmetros da cabeça, o efeito do volume da câmara fechada na resposta de frequência pode ser minimizado. A simulação de várias opções pelo programa JBL Speaker Shop possibilitou determinar as principais proporções dos parâmetros (Fig. 2):
No projeto proposto, o volume da câmara ressonante e as dimensões da porta inversora de fase são bastante aceitáveis. Um aumento no volume da câmara ressonante em relação ao volume equivalente estreita a largura de banda e uma diminuição no volume da câmara ressonante expande a banda, mas a resposta de frequência torna-se dupla. Levando em consideração os volumes reais do tronco e os volumes disponíveis da câmara ressonante, cabeçotes dinâmicos com os seguintes parâmetros são os mais adequados para tal projeto: fator de qualidade total Qts = 0,7 ... 1,0; volume equivalente Vas = 10...60 l; frequência de ressonância natural Fb = 40...60 Hz. Essas condições são atendidas não apenas por falantes "sérios", mas também pela maioria das "panquecas". Os resultados da simulação do AU "no mesmo tronco" são mostrados na fig. 3.
Pode-se ver aqui que a eficiência de um sistema passa-banda com uma cabeça dinâmica com os parâmetros especificados na faixa de frequência abaixo de 50 Hz é visivelmente maior do que a de uma caixa fechada (pelo menos teoricamente). A frequência de corte de uma caixa fechada em um nível de -3 dB é de apenas 42 Hz e, para um alto-falante passa-banda, é de 27 Hz. Ao mesmo tempo, na região das frequências mais baixas (15 ... 30 Hz), a banda passante é inferior ao inversor de fase, feito no mesmo volume da caixa - enquanto a irregularidade da resposta de frequência na banda passante da fase inversor é maior. É verdade que no caso de um inversor de fase desse volume, será muito difícil usar o tronco para a finalidade a que se destina ... A implementação prática do projeto proposto não é difícil. Basta olhar para uma prateleira fortificada típica (Fig. 4).
Para se transformar em passa-banda, falta apenas uma câmara de ressonância selada e um inversor de fase. E apesar do volume aparentemente impressionante da câmara ressonante, visualmente não é grande: para o volume obtido no cálculo de 45 litros com um tamanho de painel de 1,1x.55 m, a altura interna da câmara é de apenas 7,5 cm! Levando em consideração a espessura das paredes, a altura total não passa de 10 cm, e tal perda na altura do tronco pode ser transferida sem dor. A maioria dos programas de modelagem também calcula a porta do inversor de fase, geralmente apenas com uma seção transversal circular. Para calcular o inversor de fase sem usar programas especializados, você pode usar a conhecida fórmula [3]
onde Fb - frequência de ressonância, Hz; V, - volume da câmara, cm3; S, - área da porta, cm2; l - comprimento do túnel (espessura do painel), cm; k - relação de aspecto do furo Do ponto de vista da tecnologia de fabricação, é mais conveniente fazer uma porta inversora de fase na forma de um orifício no painel, sem usar um tubo. Como nenhuma transformação matemática traz a fórmula para uma forma conveniente para calcular os tamanhos dos furos, é mais fácil usar o método de aproximações sucessivas. Na primeira aproximação, a seção transversal do furo é escolhida dentro de 50 ... 70% da área do difusor (a área total dos difusores, se houver vários alto-falantes). Em seguida, a frequência de sintonia do inversor de fase é determinada para uma determinada espessura do painel e o volume da câmara ressonante. Então, restam apenas algumas iterações para refinar a área do furo e direcionar o resultado para uma "bifurcação". Para o ajuste final da frequência de sintonia (na direção do aumento), é conveniente usar o coeficiente de forma do furo k: seu valor à potência de 0,12 cresce muito lentamente, o alongamento do furo não excede 1,4 ... 1,6 mesmo para slots muito estreitos e longos (1:20...1:50). Se, como resultado de todos os cálculos, a área do furo ainda for inferior a 20% da área do difusor, vale a pena aumentar a profundidade da porta, ou seja, ir para um tubo curto ou uma fenda longa com um "lado ". Nesse caso, deve-se lembrar que a distância do corte interno do tubo até a parede da câmara de ressonância deve ser no mínimo seu tamanho "característico", igual à raiz quadrada da área (a mesma raiz de S em o denominador). Se esta condição não for atendida, o "excedente" do tubo terá que ser retirado do corpo ou a geometria da câmara de ressonância deverá ser revisada. Talvez valha a pena aumentar o volume da câmara ressonante e repetir completamente os cálculos, começando pela simulação. Deixe-me explicar com um exemplo. Para o alto-falante, com base no cálculo acima, foi utilizada uma cabeça de 25 cm de diâmetro com uma área de cone de aproximadamente 380 cm2. A porta deve ser configurada para 50 Hz. Para uma câmara de 45 l com espessura de painel de 12 mm, um furo de 300 cm2 dá uma afinação de 104 Hz, com uma área de 100 cm2 a frequência de afinação é reduzida para 77 Hz. A redução adicional da área do orifício é indesejável, portanto, a profundidade da porta terá que ser aumentada. Com a mesma área de 100 cm2 e profundidade de 48 mm, a frequência de afinação é ainda menor - 67 Hz. Relutantemente, reduzimos a área do furo para 74 cm2 (tubo com diâmetro externo de 100 mm, diâmetro interno de 97 mm) e aumentamos a profundidade para 110 mm. A área do furo é 19% da área do cone, a frequência de sintonia é exatamente 50 Hz. O resultado é alcançado, mas não da melhor maneira. Como a altura interna do corpo é de 7,5 cm e o tamanho característico do tubo é de 8,6 cm, todo o tubo deve caber fora da câmara de ressonância. A vantagem da opção considerada de design acústico é que as características dos alto-falantes são praticamente independentes do carregamento do porta-malas (até cerca de metade do seu volume). No entanto, não é possível implementar um inversor de fase sem um tubo com todos os tipos de cabeçotes, o que é uma desvantagem definitiva. E o cano saindo da prateleira traseira é uma estética absolutamente vanguardista. No entanto, a arte (incluindo a música) requer sacrifício... Carga acústica nos alto-falantes (ressonador plano) E se você abordar o problema do outro lado - retire a câmara ressonante no topo da prateleira? Naturalmente, as cabeças dinâmicas devem atender aos requisitos já dados anteriormente: fator de qualidade total na faixa de 0,7 ... 1, suspensão moderadamente rígida, baixa frequência da ressonância principal. A versão mais simples da câmara ressonante é uma tela acústica plana colocada próxima ao difusor. A massa de ar sob a tela se comportará da mesma forma que no tubo inversor de fase - ela oscilará. E o papel da porta será desempenhado por um slot ao redor do perímetro da tela. Na primeira aproximação, esse projeto pode ser considerado uma variante do ressonador de Helmholtz, e a mesma fórmula (1) pode ser usada para o cálculo, mas de forma transformada - para a variante "sem tubo":
onde Fb - frequência de ressonância, Hz; Vc - volume da câmara, cm; Sb - área da porta, cm2; k - fator de forma do furo (k = 1-1,25). Porém, para o cálculo da tela, a fórmula neste formulário é extremamente inconveniente, pois todas as grandezas do lado direito estão interligadas. Além disso, o grau e até a direção da influência de certos parâmetros não são claros. Portanto, foram derivadas fórmulas convenientes para o cálculo da tela (derivação e análise da fórmula no final do artigo). Para um cálculo preliminar da área da tela, aplicamos a seguinte fórmula:
onde S é a área da tela, cm2. Como pode ser visto, apenas a área da tela aparece na fórmula (3). Onde foi parar o resto das configurações? Uma análise cuidadosa mostrou que a frequência de ajuste é pouco dependente da forma da tela e da altura de sua instalação (ajuste dentro de 10% do valor médio). Portanto, para um cálculo preliminar, basta levar em consideração os valores médios desses parâmetros pelo valor do coeficiente no numerador. E para o cálculo final, aplique a fórmula exata (4), que é dada abaixo. É fácil calcular que para frequências abaixo de 120 Hz, a área da tela acima da prateleira excede 1,2 m2, e uma redução adicional na frequência de sintonia é limitada pelo tamanho do veículo... A frequência de sintonia exata é determinada pela fórmula
onde h - altura de instalação da tela, cm; j - coeficiente do formato da tela, igual a: 2,03 - para tela redonda; 2,17 - para uma tela quadrada; 2,25 - para tela retangular com extensão de 2:1. Para verificação experimental, uma tela com dimensões de 0,99x0,46 m foi instalada na prateleira traseira reforçada do carro IZH-2126 "Oda". A frequência de sintonia do projeto para cálculo pela fórmula (3) foi escolhida como 200 Hz, refinada pela fórmula (4) - 215 Hz. No processo de ajuste e audição, descobriu-se que a altura ideal de instalação da tela está dentro de 25 ... 40 mm. Essa medida possibilitou eliminar a "falha" da resposta de frequência na região dos médios-graves e suavizar a característica de pico ressonante das cabeças aplicadas. Os esboços das peças da prateleira não são fornecidos, pois para carros de outras marcas, as dimensões serão diferentes. A tela é feita de compensado com espessura de 9 mm, para aumentar a rigidez, um canto de duralumínio 20x20 mm é instalado na parte inferior da tela. A tela é fixada na prateleira com seis parafusos longos com porcas de flange, o que permite ajustar a altura da instalação (Fig. 5).
É claro que tal design não pode substituir um subwoofer, mas pode melhorar a reprodução de graves abaixo de 200 Hz, mesmo com os alto-falantes mais baratos. É por isso que a ideia do autor foi adotada e, em várias cidades russas, os serviços automotivos até lançaram a produção em pequena escala de prateleiras acústicas blindadas para carros comuns. Além de melhorar o desempenho de baixa frequência, também é importante para os consumidores que os alto-falantes dessa prateleira não fiquem visíveis e o carro não atraia a atenção de intrusos. E você pode colocar algo em cima sem bloquear o difusor. Explicações e comentários com a derivação das fórmulas (3) e (4) Para inversores de fase de área relativamente grande (quando o tamanho característico da porta é muito maior que sua profundidade) na fórmula (1), o termo I pode ser considerado igual a zero:
onde Fb - frequência de ressonância, Hz; Vc - volume da câmara, cm3; Sb - área da porta, cm2; k é a relação de aspecto do furo. Normalmente na literatura esta fórmula é dada de uma forma um pouco diferente (2), onde k (já sem grau!) é chamado de fator de forma do furo e seus valores de contorno são dados: 1 para furos redondos e quadrados e 1,25 para um slot longo. A essência do cálculo não muda com isso; a indicação de valores de limite é conveniente para fins práticos, mas oculta o significado físico desse coeficiente. Para a fórmula na representação tradicional, o caso de uma tela plana não é considerado, portanto, o valor do coeficiente para tal configuração não é indicado nos livros de referência, o que dificulta a análise. Na publicação original [2], essa circunstância contribuiu para um erro e conclusões falsas (nas quais, de fato, nenhum dos leitores se aprofundou - a prática foi mais convincente do que a teoria). Para conveniência de uma análise mais aprofundada, introduzimos o coeficiente "ideal" da forma da tela i:
onde P é o perímetro da tela: S é a área da tela. Para um círculo, é mínimo e igual a 3,54, para um quadrado - 4, para um retângulo com uma proporção de 2:1 - 4,24. O alongamento adicional da tela não faz sentido, mesmo por motivos de layout. A raiz quadrada da área da tela nada mais é do que seu tamanho "característico":
A porta neste projeto acústico não é um buraco, é o limite entre o volume de ar sob a tela e o espaço ao redor. Portanto, a área dessa porta "anel" é o produto do perímetro da tela e a altura de sua instalação. Ao mesmo tempo, o volume sob a tela é o produto de sua área pela altura de instalação. Expressemos a área da porta em termos do perímetro da tela e sua altura de instalação h, e o volume da câmara em termos da área da tela e da mesma altura de instalação. A relação de aspecto de um furo é a relação entre o perímetro e a altura. Passando para o tamanho e coeficiente "efetivos", obtemos
Substituindo a expressão (6) pelo tamanho "característico", finalmente obtemos
Influência da forma e tamanho da tela Dependendo do formato da tela, o numerador da fórmula (7) assumirá os seguintes valores: tela redonda - 2,03; tela quadrada - 2,17; tela retangular com alongamento - 2:1 - 2.25. Assim, com a mesma área, uma tela redonda fornecerá a frequência mínima de sintonia. Em geral, a influência do formato da tela é insignificante - ao passar de um círculo para um quadrado da mesma área, a frequência de sintonia aumenta apenas 7%. A influência da altura de instalação também é insignificante - quando muda de 3 para 15 cm, a frequência de sintonia diminui em 7%. Um aumento adicional na altura da instalação da tela é inútil. A área da tela prova ser o mecanismo de ajuste mais eficaz Substituindo a altura média de instalação e o fator de forma, obtemos uma fórmula conveniente para o cálculo preliminar
onde Fb - frequência de ressonância, Hz; S - área da tela, cm2. Literatura
Autor: A. Shikhatov, Moscou
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