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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Bajos en un coche: soluciones no estándar. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Altavoces ¿Cómo ampliar el ancho de banda de frecuencias reproducidas eficazmente en el sistema de altavoces de un automóvil a un costo mínimo? El autor, participante habitual en concursos de audio para automóviles y experimentador incansable, ofrece soluciones de diseño originales (con la aplicación de fórmulas de cálculo) que proporcionarán una mejora notable en los “graves” del sistema de altavoces sin reducir significativamente el volumen utilizable del trompa. El principal problema que surge al construir un sistema de altavoces en un automóvil es la reproducción debilitada de las frecuencias más bajas del rango. Un subwoofer ya hecho o listo para usar es la solución más radical al problema de los "graves". Sin embargo, la carrocería en forma de caja ocupa mucho espacio en el maletero, y las estructuras integradas que replican las complejas superficies curvas del automóvil requieren mucha mano de obra. Por lo tanto, los subwoofers sin marco, a pesar de sus desventajas inherentes, siguen siendo populares. La sencillez de la solución también juega un papel importante: para instalar un altavoz (para los automovilistas, sinónimo de cabeza dinámica) en la versión de aire libre en la bandeja trasera, no se requieren cualificaciones especiales. Sin embargo, el método sólo es adecuado para sedanes "reales", cuyo maletero está separado del habitáculo por una mampara. De lo contrario, la estanqueidad de esta estructura acústica es muy condicionada y la reproducción de frecuencias más bajas se deteriora. Además, las dimensiones del estante de la ventana trasera limitan el tamaño máximo de los cabezales dinámicos, por lo que los cabezales redondos de 6,5 a 8" o los cabezales elípticos de 6x9 (7x10)" son el límite para la mayoría de los vehículos comunes. En los hatchback este problema no existe; allí se puede colocar fácilmente un altavoz de subgraves de quince pulgadas en la bandeja trasera. Pero el problema no puede resolverse tan fácilmente. Un estante trasero endeble no es tan malo; el verdadero problema es que el volumen del maletero es extremadamente difícil de aislar del habitáculo. Como resultado, esta solución crea más problemas que ganancias: no es realista sellar las juntas del estante con los lados del maletero y el respaldo del asiento trasero. El diseño acústico en este caso ya no es una caja "condicionalmente cerrada", sino una pantalla acústica. Como resultado, las pérdidas por fugas "devoran" todos los beneficios de un difusor grande. Aumentar la potencia de entrada o corregir la respuesta de frecuencia no salvará la situación. Afortunadamente, las pérdidas sólo son significativas en entradas de alta potencia a frecuencias inferiores a 50 Hz. Disminuyen al aumentar el volumen del tronco (el grado de cambio de presión disminuye). Las pérdidas se pueden reducir aún más utilizando altavoces con un volumen excitado pequeño (área de cono más pequeña y carrera pequeña). Sin embargo, su eficiencia es baja, por lo que este camino no interesa. El problema se puede solucionar cambiando el tipo de diseño acústico. Dado que en los hatchbacks el estante trasero para instalar los altavoces todavía necesita al menos reforzarse y, como máximo, renovarse, una ligera complicación de su diseño no es un inconveniente tan grande. A continuación se proponen dos opciones para el diseño acústico de cabezales de baja frecuencia en un automóvil, que se han probado repetidamente en la práctica [1,2]. tira de altavoz Desde el punto de vista de la máxima eficiencia, lo más rentable es utilizar un altavoz de paso de banda (paso de banda). En primer lugar, este tipo de diseño acústico no reproduce señales fuera de la banda de paso. Por lo tanto, el uso de filtros eléctricos en la ruta de la señal que forman la respuesta de frecuencia del subwoofer ya no es estrictamente necesario. En segundo lugar, la eficiencia de un altavoz de paso de banda es significativamente mayor que la de otros tipos de diseño acústico, lo que permitirá utilizar un amplificador de potencia relativamente baja. En conjunto, estas circunstancias hacen posible que el subwoofer funcione directamente desde la unidad principal (grabadora de radio). Esto resulta especialmente atractivo para aquellos que no quieren instalar un amplificador adicional. Para nuestros propósitos, es especialmente conveniente un sistema de cuarto orden, que consta de dos cámaras, cerrada y resonante, con un cabezal dinámico instalado en la partición entre ellas. Usaremos el baúl como cámara cerrada y convertiremos el estante en una cámara resonante equipada con un bass reflex (Fig. 1).
La opción contraria también es posible, pero no es fácil de implementar, ya que las posibles fugas y, en particular, el volumen variable del maletero (depende del llenado) afectan al ajuste de la cámara de resonancia en mucha mayor medida que el configuración de uno cerrado. Y es casi imposible averiguar el valor exacto del volumen del maletero necesario para los cálculos; ni un solo fabricante de automóviles lo proporciona con una precisión de un litro. Finalmente, la eficiencia de esta opción, según los resultados de la simulación, es notablemente menor. El paso de banda le permite controlar de manera flexible la respuesta de frecuencia del sistema de altavoces. Las características principales están determinadas por la cámara de resonancia, y el volumen de la cámara cerrada puede considerarse como una herramienta para ajustar la frecuencia de resonancia y el factor de calidad del parche. Sin embargo, en nuestro caso entran en vigor ciertas restricciones: algunos parámetros de diseño son una "realidad objetiva" y no se pueden cambiar arbitrariamente. Así, el volumen del maletero, que en esta versión desempeña el papel de cámara cerrada para el diseño acústico, suele ser de al menos 300 litros, y es difícil variarlo. Afortunadamente, con una selección adecuada de los parámetros del cabezal, se puede minimizar el efecto del volumen de una cámara cerrada sobre la respuesta de frecuencia. El modelado de varias opciones con el programa JBL Speaker Shop permitió determinar las principales proporciones de parámetros (Fig.2):
En el diseño propuesto, el volumen de la cámara resonante y las dimensiones del puerto bass reflex son bastante aceptables. Aumentar el volumen de la cámara resonante en relación con el volumen equivalente estrecha la banda de paso, y disminuir el volumen de la cámara resonante amplía la banda, pero la respuesta de frecuencia se vuelve doble. Teniendo en cuenta los volúmenes reales del tronco y los volúmenes disponibles de la cámara de resonancia, los cabezales dinámicos con los siguientes parámetros son los más adecuados para este diseño: factor de calidad total Qts = 0,7... 1,0; volumen equivalente Vas = 10...60 l; frecuencia de resonancia natural Fb = 40...60 Hz. Estas condiciones las cumplen no sólo los oradores "serios", sino también la mayoría de los "panqueques". Los resultados del modelado de los altavoces “en el mismo tronco” se muestran en la Fig. 3.
Se puede ver aquí que la eficiencia de un sistema de paso de banda con un controlador dinámico que tiene los parámetros especificados en el rango de frecuencia por debajo de 50 Hz es notablemente mayor que la de un caso cerrado (al menos en teoría). La frecuencia de corte de un recinto cerrado a -3 dB es de sólo 42 Hz, mientras que la de un altavoz de paso de banda es de 27 Hz. Al mismo tiempo, en la región de las frecuencias más bajas (15...30 Hz), el paso de banda es inferior al bass reflex, realizado en el mismo volumen de la carcasa, mientras que la desigualdad de la respuesta de frecuencia en el paso de banda de el reflejo de graves es mayor. Es cierto que en el caso de un bass reflex de tal volumen, será muy difícil utilizar el baúl para el fin previsto... La implementación práctica del diseño propuesto no es difícil. Basta con mirar un estante reforzado típico (Fig. 4).
Para convertirse en un paso de banda, sólo necesita una cámara de resonancia sellada y un bass reflex. Y a pesar del aparentemente impresionante volumen de la cámara de resonancia, visualmente no es grande: para el volumen calculado de 45 litros con dimensiones de panel de 1,1x,55 m, la altura interior de la cámara es de sólo 7,5 cm. Teniendo en cuenta el grosor de las paredes, la altura total no supera los 10 cm, y tal pérdida de altura del tronco se puede tolerar sin dolor. La mayoría de los programas de modelado también calculan el puerto bass reflex, generalmente solo con una sección transversal circular. Para calcular el bass reflex sin utilizar programas especializados, puede utilizar la conocida fórmula [3]
donde Fb es la frecuencia de resonancia, Hz; V, - volumen de la cámara, cm3; S, - área del puerto, cm2; l - longitud del túnel (espesor del panel), cm; k - relación de aspecto del agujero Desde el punto de vista de la tecnología de fabricación, lo más conveniente es realizar el puerto bass reflex en forma de orificio en el panel, sin utilizar un tubo. Dado que ninguna transformación matemática lleva la fórmula a una forma conveniente para calcular el tamaño del agujero, es más fácil utilizar el método de aproximaciones sucesivas. Como primera aproximación, la sección transversal del orificio se elige entre el 50...70% del área del difusor (el área total de los difusores, si hay varios altavoces). Luego se determina la frecuencia de sintonización del reflejo de graves para un espesor de panel y un volumen de cámara de resonancia determinados. Luego solo queda refinar el área del agujero con algunas iteraciones y encajar el resultado en una “bifurcación”. Para ajustar finalmente la frecuencia de sintonización (cada vez más), es conveniente utilizar el coeficiente de forma del agujero k: su valor elevado a 0,12 aumenta muy lentamente y, a medida que el agujero se alarga, no supera 1,4... 1,6 incluso para casos muy rendijas estrechas y largas ( 1:20...1:50). Si, como resultado de todos los cálculos, el área del orificio aún resulta ser inferior al 20% del área del difusor, vale la pena aumentar la profundidad del puerto, es decir, cambiar a un tubo corto o una ranura larga con un " lado". Hay que recordar que la distancia desde el corte interno del tubo hasta la pared de la cámara de resonancia debe ser al menos su tamaño “característico”, igual a la raíz cuadrada del área (la misma raíz de S en el denominador) . Si no se cumple esta condición, será necesario retirar el tubo “sobrante” fuera de la carcasa o revisar la geometría de la cámara de resonancia. Puede que valga la pena aumentar el volumen de la cámara de resonancia y repetir completamente los cálculos, empezando por la simulación. Dejame explicarte con un ejemplo. Para el altavoz basado en el cálculo anterior, se utilizó un cabezal con un diámetro de 25 cm con un área de difusor de aproximadamente 380 cm2. El puerto debe configurarse en 50 Hz. Para una cámara con un volumen de 45 litros y un espesor de panel de 12 mm, un orificio con un área de 300 cm2 da una sintonización de 104 Hz; con un área de 100 cm2, la frecuencia de sintonización se reduce a 77 Hz. No es deseable una reducción adicional en el área del agujero, por lo que habrá que aumentar la profundidad del puerto. Con la misma área de 100 cm2 y una profundidad de 48 mm, la frecuencia de sintonización es aún menor: 67 Hz. De mala gana, reducimos el área del orificio a 74 cm2 (tubería con un diámetro exterior de 100 mm, un diámetro interior de 97 mm) y aumentamos la profundidad a 110 mm. El área del agujero es el 19% del área del difusor, la frecuencia de sintonización es exactamente 50 Hz. El resultado se logró, pero no de la mejor manera. Dado que la altura interna de la carcasa es de 7,5 cm y el tamaño característico del tubo es de 8,6 cm, todo debe colocarse fuera de la cámara de resonancia. La ventaja de la opción de diseño acústico considerada es que las características de los altavoces son prácticamente independientes de la carga del maletero (hasta aproximadamente la mitad de su volumen). Sin embargo, no es posible implementar un bass reflex sin un tubo en todos los tipos de cabezales, lo que supone una cierta desventaja. Y el tubo que sobresale del estante trasero tiene una estética francamente vanguardista. Sin embargo, el arte (y la música también) requiere sacrificio... Carga acústica en altavoces (resonador plano) Pero ¿qué pasa si abordamos el problema desde el otro lado: colocamos la cámara de resonancia encima del estante? Naturalmente, los cabezales dinámicos deben cumplir los requisitos mencionados anteriormente: factor de calidad completo en el rango de 0,7... 1, suspensión moderadamente dura, frecuencia de resonancia principal baja. La versión más simple de una cámara de resonancia es una pantalla acústica plana colocada muy cerca del difusor. La masa de aire debajo de la pantalla se comportará de la misma manera que en el tubo bass reflex: oscilará. Y el papel del puerto lo desempeñará una ranura alrededor del perímetro de la pantalla. En una primera aproximación, este diseño puede considerarse una variante del resonador de Helmholtz, y para el cálculo se puede utilizar la misma fórmula (1), pero en forma transformada, para la versión "sin tubo":
donde Fb es la frecuencia de resonancia, Hz; Vc - volumen de la cámara, cm; Sb - área del puerto, cm2; k - coeficiente de forma del agujero (k = 1-1,25). Sin embargo, para calcular la pantalla, la fórmula en esta forma es extremadamente inconveniente, ya que todas las cantidades del lado derecho están interconectadas. Además, el grado e incluso la dirección de la influencia de determinados parámetros no está claro. Por lo tanto, se derivaron fórmulas convenientes para calcular la pantalla (derivación de fórmulas y análisis al final del artículo). Para un cálculo preliminar del área de la pantalla, aplicamos la siguiente fórmula:
donde S es el área de la pantalla, cm2. Como puede ver, solo aparece el área de la pantalla en la fórmula (3). ¿A dónde se fueron el resto de parámetros? Un análisis exhaustivo mostró que la frecuencia de sintonización depende débilmente de la forma de la pantalla y la altura de su instalación (sintonización dentro del 10% del valor promedio). Por tanto, para un cálculo preliminar, basta con tener en cuenta los valores medios de estos parámetros por el valor del coeficiente en el numerador. Y para el cálculo final, aplique la fórmula exacta (4), que se proporciona a continuación. Es fácil calcular que para frecuencias inferiores a 120 Hz el área de la pantalla sobre el estante supera los 1,2 m2 y una mayor reducción de la frecuencia de sintonización está limitada por el tamaño del coche... La frecuencia de sintonización exacta está determinada por la fórmula
donde h es la altura de instalación de la mampara, cm; j - coeficiente de forma de la pantalla, igual a: 2,03 - para una pantalla redonda; 2,17 - para una pantalla cuadrada; 2,25: para una pantalla rectangular con una relación de aspecto de 2:1. Para realizar pruebas experimentales, se instaló una pantalla de 0,99x0,46 m en el estante trasero reforzado de un automóvil IZH-2126 "Oda". La frecuencia de sintonización de diseño para el cálculo usando la fórmula (3) se eligió para que fuera 200 Hz, refinada usando la fórmula (4) - 215 Hz. Durante el proceso de ajuste y escucha, resultó que la altura óptima para instalar la pantalla se encuentra en el rango de 25...40 mm. Esta medida permitió eliminar el "fallo" de la respuesta de frecuencia en la región de medios graves y suavizar el pico resonante característico de los cabezales utilizados. No se proporcionan bocetos de las piezas de las estanterías, ya que las dimensiones serán diferentes para coches de otras marcas. La mampara está hecha de madera contrachapada con un espesor de 9 mm, para aumentar la rigidez se instala una esquina de duraluminio de 20x20 mm en la parte inferior de la mampara. La pantalla se fija al estante con seis pernos largos con tuercas con arandela prensada, lo que le permite ajustar la altura de instalación (Fig. 5).
Está claro que un diseño de este tipo no puede sustituir a un subwoofer, pero sí mejora la reproducción de frecuencias bajas por debajo de 200 Hz incluso desde los altavoces más económicos. Por eso se retomó la idea del autor, y en varias ciudades rusas los centros de servicio de automóviles incluso lanzaron la producción a pequeña escala de estantes acústicos blindados para automóviles comunes. Además de mejorar el rendimiento en el rango de baja frecuencia, también es importante para los consumidores que los altavoces de dicho estante no sean visibles y que el automóvil no atraiga la atención de intrusos. Y puedes poner algo encima sin bloquear el difusor. Explicaciones y comentarios con la derivación de las fórmulas (3) y (4) Para inversores de fase de un área relativamente grande (cuando el tamaño característico del puerto es mucho mayor que su profundidad) en la fórmula (1), el término I se puede tomar igual a cero:
donde Fb es la frecuencia de resonancia, Hz; Vc - volumen de la cámara, cm3; Sb - área del puerto, cm2; k es la relación de aspecto del agujero. Por lo general, en la literatura esta fórmula se da en una forma ligeramente diferente (2), donde k (¡sin grado!) se llama coeficiente de forma del agujero y se dan sus valores límite: 1 para agujeros redondos y cuadrados y 1,25 para un ranura larga. Esto no cambia la esencia del cálculo; indicar valores límite es conveniente para fines prácticos, pero oculta el significado físico de este coeficiente. Para la fórmula en la presentación tradicional, el caso de una pantalla plana no se considera en absoluto, por lo que el valor del coeficiente para dicha configuración no se indica en los libros de referencia, lo que complica el análisis. En la publicación original [2], esta circunstancia contribuyó a errores y conclusiones falsas (en las que, de hecho, ninguno de los lectores profundizó: la práctica era más convincente que la teoría). Para facilitar un análisis más detallado, introducimos el coeficiente de "idealidad" de la forma de la pantalla i:
donde P es el perímetro de la pantalla: S es el área de la pantalla. Para un círculo es mínimo e igual a 3,54, para un cuadrado - 4, para un rectángulo con una relación de aspecto de 2:1 - 4,24. Un mayor alargamiento de la pantalla no tiene sentido ni siquiera por motivos de diseño. La raíz cuadrada del área de la pantalla no es más que su tamaño "característico":
El puerto en este diseño acústico no es un agujero, es el límite entre el volumen de aire debajo de la pantalla y el espacio circundante. Por tanto, el área de este puerto “anillo” es el producto del perímetro de la pantalla por la altura de su instalación. Al mismo tiempo, el volumen debajo de la mampara es el producto de su área por la altura de instalación. Expresemos el área del puerto en términos del perímetro de la pantalla y su altura de instalación h, y el volumen de la cámara en términos del área de la pantalla y la misma altura de instalación. La relación de aspecto de un agujero es la relación entre el perímetro y la altura. Pasando al tamaño y coeficiente "efectivo", obtenemos
Sustituyendo la expresión (6) por el tamaño "característico", finalmente obtenemos
Influencia de la forma y el tamaño de la pantalla Dependiendo de la forma de la pantalla, el numerador de la fórmula (7) tomará los siguientes valores: pantalla redonda - 2,03; pantalla cuadrada - 2,17; Mampara rectangular con extensión - 2:1 - 2.25. Así, con la misma superficie, una pantalla redonda proporcionará la frecuencia mínima de sintonización. En general, la influencia de la forma de la pantalla es insignificante: al pasar de un círculo a un cuadrado de la misma área, la frecuencia de sintonización aumenta solo un 7%. La influencia de la altura de instalación también es insignificante: cuando cambia de 3 a 15 cm, la frecuencia de sintonización disminuye en un 7%. No tiene sentido aumentar aún más la altura de instalación de la mampara. El área de la pantalla demuestra ser el mecanismo de ajuste más eficaz Sustituyendo los valores medios de la altura de instalación y el coeficiente de forma, obtenemos una fórmula conveniente para el cálculo preliminar.
donde Fb - frecuencia de resonancia, Hz; S - área de la pantalla, cm2. Literatura
Autor: A. Shikhatov, Moscú
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