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Cálculo e dimensionamento de sistemas acústicos. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Alto-falantes

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Caso sem parede traseira

A principal frequência de ressonância de tal caso

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

onde I é a profundidade da caixa, m; S - área do furo, m2. Um aumento na potência acústica na frequência de ressonância principal em 3-6 dB para casos relativamente planos e 6-10 dB para casos profundos dá ao som que está sendo estudado um timbre não natural. Se fI = fG, então o aumento da potência acústica nas frequências mais baixas é mais significativo. É aconselhável utilizar um alto-falante com frequência de ressonância inferior à frequência de ressonância da caixa; a proporção mais comum é fG / fY = 0,5 - 0,7.

Um estojo sem tampa traseira não é usado atualmente como design acústico em sistemas de reprodução de alta qualidade. Se não houver alternativa, o caso deve ser o mais plano possível. Uma caixa sem tampa traseira com alto-falante deve ser colocada a pelo menos 20 cm da parede, o que é recomendado umedecer com um tapete pesado. Se o alto-falante deve ser colocado ao longo de uma das paredes, de preferência ao longo do curto, mais próximo do meio.

Cálculo de um caso encerrado

A instalação de um alto-falante em uma caixa fechada de volume suficientemente grande permite uma reprodução satisfatória de baixas frequências, já que a parte frontal do difusor está totalmente protegida da radiação da parte traseira. Isto resulta numa diminuição mais lenta da potência acústica em frequências mais baixas do que quando se instala um altifalante num defletor acústico de dimensões finitas.

A frequência de ressonância de um alto-falante instalado em uma caixa fechada de tamanho médio fP, desde que o alto-falante ocupe menos de um terço da área da parede em que está montado, é determinada na seguinte ordem:

1) determinar a flexibilidade das suspensões do sistema de alto-falante móvel СР;

2) calcule a flexibilidade do volume de ar no caso usando a fórmula
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onde V é o volume de ar no caso, m3, igual ao seu volume interno menos o volume do alto-falante, que na primeira aproximação é 0,4 d4; d - diâmetro do difusor, m;

3) em relação ao SG/CB usando o nomograma da fig. 4-20 determine a relação fP / fG fornecida por um caso de um determinado volume V. A frequência de ressonância mecânica do alto-falante na tela acústica pode ser obtida da Tabela. 4-11.

Se você precisar usar um alto-falante existente para criar um sistema acústico na forma de uma caixa fechada com frequência de ressonância fP, o volume necessário da caixa será determinado na seguinte ordem:

1) pegue o valor da frequência de ressonância do alto-falante fG na tela acústica da tabela. 4-11;

2) determinar a flexibilidade das suspensões do sistema de alto-falante móvel SG;

3) tendo definido a relação desejada fP/fG, determine de acordo com o gráfico da Fig. 4-20 a relação SG/SV correspondente e encontre a flexibilidade necessária do volume de ar CD em uma caixa fechada;
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4) calcule o volume de ar necessário dentro da caixa em metros cúbicos usando a fórmula

O volume interno total do gabinete é obtido adicionando o volume do alto-falante ao valor calculado V.

Se o valor de fG for desconhecido ou for difícil determiná-lo em uma tela acústica de tamanho suficientemente grande, então você pode medir a frequência de ressonância mecânica do alto-falante fB, sem tela, e usar a curva fP/fB na Fig. . 4-20.

O cálculo acima é válido apenas para frequências f<;40/L ( L é a profundidade da caixa em metros). A este respeito, a parte traseira do cone do altifalante numa caixa fechada deve ser protegida das ondas sonoras reflectidas pelas paredes interiores, correspondentes às frequências mais altas, cobrindo estas paredes com material absorvente de som.

As dimensões da caixa fechada podem ser reduzidas enchendo-a com lã de vidro ou material similar. Tal preenchimento equivale a aumentar o volume da caixa em 40%.

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Se a frequência /p obtida pelo cálculo for suficientemente baixa, então o altifalante deverá ter Q de cerca de 1. Se a frequência fP for inaceitavelmente alta, obtêm-se bons resultados reduzindo o factor de qualidade para um valor de Q de cerca de 0,1; neste caso, é claro, é necessário aumentar as frequências mais baixas no amplificador em cerca de 6 dB / oitava a partir da frequência

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Cálculo do inversor de fase

O bass reflex é um invólucro 1 (Fig. 4-21) com furo adicional 3, localizado próximo ao alto-falante 2 montado na mesma parede e possuindo área, via de regra, igual à área do difusor. Tendo especificado a profundidade do furo de inversão de fase, a relação de seus lados, calculando a área efetiva do difusor (determinando a área do furo) e tomando a frequência de ressonância do inversor de fase fФ = fГ, conforme o nomograma da Fig. 4-22 você pode determinar o volume necessário da caixa.

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A distância da extremidade do túnel à parede traseira da caixa não deve ser inferior a dG/2.

Na frequência fФ, o bass reflex pode ser considerado como um transformador acústico que melhora a correspondência do alto-falante com a carga de ar. Embora a potência acústica fornecida pela frente do cone diminua nesta frequência, a potência acústica global pode aumentar significativamente. Ao mesmo tempo, as distorções não lineares são significativamente reduzidas e a potência nominal do alto-falante aumenta devido à diminuição da amplitude do deslocamento do cone.

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(clique para ampliar)

A profundidade do furo de fase invertida pode variar desde a espessura da parede da caixa (Fig. 4-21, a) até um valor aproximadamente igual a 30/fF ao usar o túnel 5 (Fig. 4-21, b). O comprimento considerável do túnel permite a utilização de uma pequena caixa.

Em frequências abaixo de fF, a resposta de flexibilidade do volume de ar aumenta e forma uma conexão rígida entre a massa de ar no orifício e a massa do sistema móvel do alto-falante. A massa de ar, assim, é somada à massa do sistema móvel e, juntamente com a flexibilidade das suspensões, forma um circuito mecânico com frequência ressonante f1 < fФ. Quando o difusor se move para frente nessa frequência, o ar no orifício se move para trás (e vice-versa) e a eficiência da radiação é insignificante.

Em frequências acima de fФ, a resistência da massa de ar no orifício torna-se alta e o bass reflex pode ser considerado um caso completamente fechado. A rigidez do volume de ar se soma à rigidez das suspensões e, junto com a massa do sistema móvel, forma um circuito com frequência de ressonância f2 > fФ. A emissão do buraco de fase invertida na frequência f2 é muito pequena.

A impedância elétrica total do alto-falante RG em um bass reflex geralmente tem dois máximos (curva sólida na Fig. 4-23) nas frequências f1 e f2, localizados em cada lado da frequência de ressonância do alto-falante em uma tela acústica plana fG ( linha tracejada na Fig. 4-23, onde R é a resistência da bobina do alto-falante à corrente contínua).

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Os picos de impedância do alto-falante no bass reflex são significativamente menores que o pico do alto-falante na tela acústica, mas os valores correspondentes de Q1 e Q2 são maiores que o Qr do alto-falante na tela acústica. Esta desvantagem é especialmente pronunciada na frequência f1, uma vez que um aumento na velocidade de movimento do difusor leva a um aumento nas distorções não lineares, cuja notabilidade é facilitada pela ausência de radiação útil nesta frequência. Este fenômeno pode ser combatido limitando a potência de saída do amplificador em frequências próximas de f1.

Se for desejável que a resposta em frequência do alto-falante no inversor de fase seja horizontal na parte inferior da faixa de frequência de operação, a partir de /r, então a condição Qr = 0,6 deve ser atendida.

Com um aumento em QG, o valor de Qg aumenta e o valor de QF diminui, e isso causa uma resposta de frequência desigual. Se não for possível reduzir Qr, então é necessário pelo menos suprimir o pico da resposta em frequência na frequência f2, que ocorre em QG > 0,6. Isto é conseguido introduzindo material de absorção de som 4 na caixa (ver Fig. 4-21). Às vezes, todo o volume é preenchido com lã de vidro. Nesse caso, a área do furo de fase invertida, obtida pelo cálculo do nomograma da Fig. 4-22 deve ser aumentado em 2,5 vezes.

A introdução de uma grande quantidade de material absorvente de som no reflexo de graves leva a um enfraquecimento da radiação de baixa frequência, e se você deseja estender a característica para essas frequências, pelo menos até fG, deve garantir um aumento significativo nas baixas frequências do amplificador.

O inversor de fase é ajustado alterando a área do furo (por exemplo, por uma placa fixada para que sua rotação altere a área do furo) ou a profundidade do túnel. É necessário esforçar-se para garantir que o intervalo de frequência que separa os picos de impedância ressonante não difere significativamente da oitava; amplitudes de pico foram iguais; quaisquer picos adicionais causados ​​por ondas estacionárias na caixa foram eliminados pela adição de material de amortecimento.

A vantagem de um inversor de fase em comparação com uma caixa fechada do mesmo volume é um aumento na potência acústica em aproximadamente 5 dB na faixa de uma a duas oitavas e uma diminuição na distorção não linear na faixa de frequência fФ - 2 / f com a mesma potência acústica.

A desvantagem de um bass reflex é uma diminuição mais rápida da potência acústica em frequências abaixo de fФ do que em uma caixa fechada e a necessidade de ajuste.

Construção do caso

No caso em que o alto-falante está montado, a ressonância é possível em uma ou mais frequências da faixa de som, levando a uma alteração desagradável no timbre da reprodução do som. Este fenômeno é mais pronunciado em casos parcialmente ou completamente fechados.

A utilização de materiais de alta densidade contribui para a redução das vibrações das paredes. O contraplacado utilizado para estes fins deve ter pelo menos 20 mm de espessura. Um bom resultado é dado pela areia seca do rio, derramada entre duas finas folhas de compensado. As paredes, especialmente as traseiras e parcialmente as frontais, devem ser reforçadas com blocos de madeira. É possível usar aglomerado.

Amortecimento da parede da caixa

As superfícies internas da caixa 1 (Fig. 4-24) são cobertas com uma camada de material absorvente de som 6 com uma espessura de pelo menos 10 mm (ou um dos pares de superfícies paralelas com uma camada de espessura dupla). No entanto, as ondas estacionárias em frequências mais baixas não são eliminadas.

O melhor resultado é obtido dividindo o volume da caixa por uma ou mais divisórias de absorção de som 2, por exemplo, de feltro de 5 a 10 mm de espessura. As secções da caixa que estão separadas do altifalante por uma ou mais divisórias neste caso requerem muito pouco tratamento acústico. O tweeter 4 deve ser protegido da radiação da parte traseira do cone do woofer com várias camadas de material absorvente de som ou uma tampa de metal 5. O woofer 3 é colocado na parte inferior da caixa.

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

Posicionamento do alto-falante

O orifício no qual o alto-falante é colocado se comporta como um tubo, cujo comprimento é igual à espessura da parede ou da placa. Ressonâncias e anti-ressonâncias deste tubo, bem como reflexões das bordas do furo, causam uma resposta de freqüência desigual. As recomendações óbvias são chanfrar as bordas do orifício ou instalar o alto-falante em uma tela mais fina, que é então colocada em uma parede ou tela de espessura normal.

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Forma da gaveta

Em frequências mais baixas, o alto-falante emite ondas esféricas, e as bordas da caixa, principalmente as que compõem a parede frontal, formam obstáculos no caminho das ondas sonoras. Isso causa distorção da frente de onda (difração) e radiação secundária das bordas, o que leva a fenômenos de interferência, causando picos e quedas de até ± 5 dB na resposta de frequência. Do ponto de vista da luta contra a radiação secundária, a forma ideal é uma esfera, a pior é um cubo com um alto-falante no centro de um dos lados. Um paralelepípedo retangular com um alto-falante colocado mais próximo de um dos lados curtos é preferível a um cubo. No entanto, a melhor aproximação ao ideal é dada por uma pirâmide truncada retangular colocada sobre um paralelepípedo retangular (Fig. 4-25). Para qualquer forma, é desejável que a caixa tenha valores diferentes de dimensões lineares; nenhuma das dimensões lineares era muito maior ou muito menor que as demais; o maior tamanho de caixa não deve exceder 1/4 do comprimento de onda da frequência mais baixa da faixa de operação.

tecido decorativo não deve causar perda significativa de potência acústica. O tecido mais adequado é feito de fios frouxamente tecidos duros e fortes (algodão ou plástico). O uso de tecidos feitos de fios macios e fofos é indesejável.

Agrupamento e faseamento de alto-falante

Uma conexão de grupo é formada por vários alto-falantes idênticos colocados próximos uns dos outros em uma tela acústica. Um grupo de alto-falantes possui uma grande área de radiação em frequências mais baixas (o que exigiria um aumento significativo no tamanho e no peso do sistema móvel ao usar um alto-falante); Ao mesmo tempo, as vantagens de um alto-falante separado com um sistema móvel relativamente leve são preservadas - em termos de modo transitório e reprodução de altas frequências.

A resistência do ar à radiação de cada alto-falante do grupo aumenta em frequências mais baixas por um fator de n (ha é o número de alto-falantes no grupo). Isso permitiria obter um ganho significativo de potência acústica se a massa do ar oscilante não aumentasse simultaneamente pela raiz quadrada de n vezes. Como resultado, em n == 2 -:- 4, a potência acústica aumenta significativamente, mas ainda não por um fator de n (para a mesma potência elétrica), e um aumento adicional em n quase não dá ganho.

Um aumento na massa do ar oscilante diminui as frequências de ressonância de cada alto-falante do grupo e, consequentemente, expande a faixa de frequência de operação, especialmente significativamente em grandes i.

A conexão mais satisfatória de alto-falantes em um grupo é paralela; então Q do sistema não será diferente de QG. Se for necessário que a resistência do grupo seja igual à resistência de um alto-falante, do ponto de vista do melhor Q do grupo, é melhor usar uma conexão em série-paralelo de alto-falantes (cujo número deve ser igual a n2, onde n = 1, 2, 3 ...). Sempre que os altifalantes são ligados em grupo, devem estar corretamente faseados: quando uma fonte CC (como uma bateria de baixa tensão) é ligada aos terminais de entrada, os cones de todos os altifalantes devem ser deslocados na mesma direção. A alteração da direção de deslocamento do cone do alto-falante é feita alterando a ordem de comutação em suas extremidades de entrada.

Se for difícil colocar um grupo de alto-falantes em uma caixa fechada - o volume necessário do gabinete, de acordo com o cálculo, for inaceitavelmente grande, os alto-falantes podem ser colocados em uma pequena tela acústica ou em uma caixa menor cheia de absorvente material, compensando a atenuação da radiação em baixas frequências por correção apropriada no amplificador.

As desvantagens da conexão em grupo incluem uma irregularidade significativa na resposta de frequência e características de diretividade em frequências mais altas.

Alto-falantes de duas e três vias

Seleção de alto-falante. A reprodução de som de classe I geralmente pode ser obtida usando um alto-falante de faixa completa, como 4GD4, 4GD7 ou 4GD28, ou dividindo a faixa de frequência total correspondente a essa classe em duas bandas. Para garantir uma reprodução de som com uma qualidade da classe "mais alta", é necessário dividir a faixa completa em três bandas.

A faixa de frequência nominal de um alto-falante destinado a reproduzir uma determinada banda deve ser duas oitavas mais larga do que esta banda ao usar filtros com inclinação de 6 dB/oitava e uma oitava ao usar filtros com inclinação de 12 dB/oitava. A frequência de cruzamento de um sistema de duas vias é geralmente escolhida de 400 a 1 Hz. Em um sistema de três vias, o link de baixa frequência pode operar até 200-300 Hz, o link de média frequência até 600-2 Hz.

Perto da frequência de crossover, uma distorção significativa geralmente ocorre devido à interação dos alto-falantes. Se as distâncias de cada um dos alto-falantes para o ouvinte forem desiguais, então a resposta de frequência do sistema pode ter um desnível significativo, determinado pelas relações de fase dos sinais de entrada.

Filtros de separação. A maneira mais simples de conectar um tweeter é através de um capacitor que protege o tweeter de sobrecarga em baixas frequências. Essa inclusão é usada quando o alto-falante principal não possui uma faixa de frequência suficientemente ampla. A capacitância do capacitor é calculada pela fórmula

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

onde fP é a frequência de cruzamento, Hz; RP - impedância do alto-falante na frequência fР, Ohm.

Com um filtro adequadamente construído, cada alto-falante deve operar apenas na faixa de frequência para a qual foi projetado. A perda do filtro na banda passante deve ser a mais baixa possível.

A indutância e a capacitância do filtro em diferentes inclinações, que é definida como a mudança na atenuação com uma mudança na frequência por oitava, são calculadas usando as seguintes fórmulas.

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

Para uma inclinação de 6 dB/oitava (filtro em diagrama na fig. 4-26)

Para uma inclinação de 12dB/oitava (filtro conforme mostrado na Figura 4-27)

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

Nas fórmulas (4-11) e (4-12), as indutâncias têm a dimensão de milihenries e capacitâncias - microfarads.

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

Com base no cálculo, os capacitores com as capacitâncias padrão nominais mais próximas são selecionados. Para selecionar a capacitância, é possível conectar vários capacitores em paralelo. Obviamente, se a capacitância do capacitor se desviar do valor obtido pelo cálculo, a frequência de separação será diferente da especificada.

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Se o filtro precisar de capacitâncias da ordem de dezenas de microfarads e superiores, para reduzir suas dimensões, é aconselhável usar capacitores eletrolíticos. Como estes últimos são polares e funcionarão em um circuito de corrente alternada, então em cada link do filtro será necessário usar dois capacitores back-to-back, cada um dos quais deve ter uma capacitância o mais próxima possível da obtida por cálculo. Nas seções do filtro de isolamento de um amplificador transistorizado sem transformador pode ser utilizado um capacitor eletrolítico, observando a polaridade correta de sua inclusão.

O filtro para a unidade acústica de três vias (Figura 4-28) é uma combinação dos dois filtros discutidos acima. A primeira separa a região de baixa frequência da região de média frequência; este último é então dividido pelo segundo filtro. Ambos os filtros não precisam ter a mesma inclinação de corte; eles devem ser calculados apenas para uma resistência.

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O método de cálculo dos filtros de crossover é baseado na suposição de igualdade e na natureza ativa dos alto-falantes nas bandas separadas. Como a impedância do alto-falante na frequência de cruzamento pode ter um componente indutivo significativo, para evitar distorção de frequência na região de sobreposição, a indutância dos alto-falantes de média e baixa frequência deve ser levada em consideração ao calcular como parte do filtro, ou seja, deve ser feita uma bobina de filtro, conectada em série com o alto-falante, com uma indutância menor que a calculada sobre a indutância do alto-falante.

Se as impedâncias dos alto-falantes nos links de um sistema multibanda não forem iguais, você deve tentar selecionar impedâncias iguais dos links por meio de uma conexão de grupo (uma conexão em série de alto-falantes de alta frequência é aceitável).

A conexão paralela de dois ou três tweeters torna possível usá-los em combinação com quase todos os woofers. Uma possível discrepância nos valores das impedâncias dos links do sistema acústico pode ser eliminada aumentando a impedância de entrada do link de alta frequência usando um divisor de tensão feito de resistores.

Se vários alto-falantes de alta frequência forem usados ​​​​em um sistema de dois ou três links (por exemplo, 1GD-3), eles deverão ser colocados em uma caixa de modo que o ângulo entre seus eixos no plano horizontal seja de cerca de 20-30 °.

Se em um sistema de reprodução de som multibanda for usado apenas um tweeter, que possui uma impedância maior que a do woofer, então para equalizar a resistência de carga do filtro crossover na região dos agudos, o tweeter deve ser desviado com um resistor da resistência apropriada.

Sistemas de alto-falantes estéreo

Os alto-falantes de um sistema estéreo de dois canais devem ser estritamente idênticos. Eles devem ser colocados de acordo com a Fig. 4-29, onde a zona de efeito estereofônico ideal está sombreada.

Cálculo e projeto de sistemas acústicos

A orientação dos alto-falantes depende de suas características de diretividade e deve ser determinada experimentalmente. Os eixos do alto-falante não devem se cruzar na área de audição.

Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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Comentários sobre o artigo:

Anatoly
Um artigo muito útil para o design de alto-falante real.

Evgeny Alekseevich
Artigo instrutivo e útil. Muito está claro. Obrigado ao autor!

Dmitry
Quando eu era pequeno, já era um livro muito antigo. Obrigado de qualquer forma, sorriu.

Igor
Excelente! Mantem!

convidado
O clássico nunca envelhece. Obrigado pela coleção.


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