Як при мінімальних витратах розширити смугу ефективно відтворних частот в автомобільну акустичну систему? Автор, неодноразовий учасник змагань з автозвуку і невтомний експериментатор, пропонує оригінальні конструкторські рішення (з додатком розрахункових формул), які забезпечать помітне поліпшення “басовито” акустичної системи без істотного зменшення корисного об’єму багажника.

Основна проблема, що виникає при побудові акустичної системи в автомобілі, – ослаблене відтворення нижчих частот діапазону. Готовий або саморобний сабвуфер – найбільш радикальне рішення “басової” проблеми. Однак коробчатий корпус займає в багажнику чимало місця, а вбудовані конструкції, що повторюють складні криволінійні поверхні автомобіля, вельми трудомісткі у виготовленні.
Тому безкорпусні сабвуфери, незважаючи на властиві їм недоліки, як і раніше популярні. Не останню роль відіграє і простота рішення – для того, щоб встановити в задню полицю динамік (для автомобілістів – Синонім динамічної головки) в оформленні free air, не потрібно особливої ​​кваліфікації. Однак метод придатний тільки для “справжніх” седанів, багажник яких відділений від салону перегородкою. В іншому випадку герметичність цього акустичного оформлення досить умовна, і відтворення нижчих частот погіршується. Крім того, розміри полиці під заднім склом обмежують максимальний розмір динамічних головок, тому круглі голівки діаметром 6,5-8 дюймів або еліптичні 6×9 (7×10) дюймів – межа для більшості поширених автомобілів.
У хетчбеках цієї проблеми немає, там в задній полиці без зусиль можна розмістити і пятнадцатідюймовую головку сабвуфера. Але так просто вирішити проблему не виходить. Квола задня полиця – це ще півбіди, справжня біда в тому, що обсяг багажника вкрай складно ізолювати від салону. В результаті від такого рішення більше проблем, ніж виграшу: герметизувати стики полки з боковинами багажного відсіку і спинкою заднього сидіння нереально. Акустичне оформлення в цьому випадку вже не “умовно-закритий” ящик, а акустичний екран. В результаті втрати на витоках “з’їдають” всі переваги великого дифузора. Збільшення потужності, що підводиться або корекція АЧХ не врятує положення.

На щастя, втрати істотні тільки при великій потужності, що підводиться на частотах нижче 50 Гц. Вони знижуються зі збільшенням обсягу багажника (зменшується ступінь зміни тиску). Втрати можна ще зменшити, якщо використовувати динаміки з малим порушуються об’ємом (меншою площею дифузора і невеликим робочим ходом). Однак їх ефективність мала, так що цей шлях не представляє інтересу.
Проблему можна вирішити, якщо змінити тип акустичного оформлення. Оскільки в хетчбеках задню полицю для установки динаміків все одно необхідно як мінімум зміцнювати, а як максимум – виготовляти заново, то незначне ускладнення її конструкції – не такий вже великий недолік. Далі пропонуються два варіанти акустичного оформлення низькочастотних головок в автомобілі, неодноразово перевірені на практиці [1,2].

Смуговий гучномовець
З точки зору максимальної ефективності найвигідніше застосувати смуговий гучномовець (Бандпасс). По-перше, цей вид акустичного оформлення не відтворює сигнали поза смуги пропускання. Тому застосування в тракті сигналу електричних фільтрів, форми-
ючий АЧХ сабвуфера, вже не є строго обов’язковим. По-друге, ККД смугового гучномовця значно вище, ніж у інших видів акустичного оформлення, що дозволить використовувати відносно малопотужний підсилювач. У сукупності ці обставини роблять можливою роботу сабвуфера безпосередньо від головного пристрою (магнітоли). Це особливо привабливо для тих, хто не хоче встановлювати додатковий підсилювач.
Для наших цілей особливо зручна система четвертого порядку, що складається з двох камер – закритої та резонансною, в перегородці між якими встановлена ​​динамічна головка. В якості закритої камери будемо використовувати багажник, а полицю перетворимо на резонансну камеру, забезпечену фазоінвертором (рис. 1). Можливий і зворотний варіант, але реалізувати його нелегко, оскільки можлива негерметичність і в особливості змінний обсяг багажника (він залежить від заповнення) впливають на налаштування резонансної камери в набагато більшому ступені, ніж на налаштування закритою. Та й з’ясувати необхідне для розрахунків точне значення об’єму багажника практично нереально – жоден автовиробник не приводить його з точністю до літра. Нарешті, ККД подібного варіанту за результатами моделювання помітно нижче.

Бандпасс дозволяє гнучко управляти частотною характеристикою акустичної системи. Основні характеристики визначаються резонансної камерою, а обсяг закритої камери можна розглядати як інструмент для налаштування резонансної частоти і добротності головки. Однак у нашому випадку в силу вступають певні обмеження: деякі параметри конструкції – “об’єктивна реальність”, і довільно змінювати їх не можна. Так, обсяг багажника, в даному варіанті грає роль закритої камери акустичного оформлення, зазвичай не менше 300 л, і варіювати його скрутно. На щастя, при відповідному виборі параметрів головки вплив обсягу закритої камери на частотну характеристику можна мінімізувати. Моделювання різних варіантів програмою JBL Speaker Shop дозволило визначити основні співвідношення параметрів (Рис. 2):

У запропонованій конструкції обсяг резонансної камери і розміри порту фазоінвертора виходять цілком прийнятними. Збільшення обсягу резонансної камери щодо еквівалентного обсягу звужує смугу пропускання, а зменшення обсягу резонансної камери розширює смугу, але АЧХ стає двогорбий. З урахуванням реальних обсягів багажника і доступних обсягів резонансної камери для такої конструкції найкраще підходять динамічні головки з наступними параметрами: повна добротність Qts = 0,7 … 1,0; еквівалентний об’єм Vas = 10 … 60 л; частота власного резонансу Fb = 40 … 60 Гц.
Цим умовам відповідають не тільки “серйозні” динаміки, але і більшість “млинців”. Результати моделювання АС “в одному і тому ж багажнику” показані на рис. 3.

Тут видно, що ефективність смугової системи з динамічною голівкою, яка має вказані параметри, в області частот нижче 50 Гц помітно вище, ніж у закритого корпуса (принаймні, теоретично). Частота зрізу закритого корпусу за рівнем -3 дБ всього 42 Гц, а у смугового гучномовця – 27 Гц. В той же час в області найнижчих частот (15 … 30 Гц) Бандпасс поступається фазоін-вертору, виконаному в тому ж обсязі корпусу – при цьому нерівномірність АЧХ в смузі пропускання у фазоінвертора вище. Правда, у випадку фазоінвертора такого обсягу використовувати багажник за прямим призначенням буде вельми скрутно …
Практична реалізація запропонованої конструкції не представляє складності. Досить поглянути на типову укріплену полку (рис. 4)

Для перетворення в Бандпасс їй бракує тільки герметичній резонансної камери і фазоінвертора. І незважаючи на удаваний значним обсяг резонансної камери, зорово вона не велика: для отриманого в розрахунку обсягу 45 л при розмірах панелі 1,1 x, 55 м внутрішня висота камери лише 7,5 см! З урахуванням товщини стінок загальна висота – не більше 10 см. А таку втрату висоти багажника можна перенести безболісно.
Більшість моделюючих програм роблять також і розрахунок порту фазоінвертора, зазвичай тільки круглого перетину Для розрахунку фазоінвертора без застосування спеціалізованих програм можна використати відому формулу [3]

де Fb – частота резонансу, Гц; V, – об’єм камери, см3; S, – площа порту, см2; l – довжина тунелю (товщина панелі), см; до – співвідношення сторін отвори
З позиції технології виготовлення найзручніше робити порт фазоінвер-тора у вигляді отвору в панелі, без застосування труби. Оскільки ніякі математичні перетворення не приводять формулу до вигляду, зручного для розрахунку розмірів отвору, простіше скористатися методом послідовних наближень. У першому наближенні перетин отвору вибирають в межах 50 … 70% площі дифузора (сумарної площі дифузорів, якщо динаміків кілька). Потім визначають частоту настроювання фазоінвертора при заданих товщині панелі і обсязі резонансної камери. Далі залишається тільки декількома ітераціями уточнити площа отвору і загнати результат в “вилку”. Для остаточної підгонки частоти настройки (в бік збільшення) зручно використовувати коефіцієнт форми отвору до: його значення в ступені 0,12 дуже повільно зростає, подовженням отвори – не перевищує 1,4 … 1,6 навіть для дуже вузьких і довгих щілин (1:20 … 1:50). Якщо в результаті всіх розрахунків площа отвору все ж виходить менше 20% площі дифузора, варто збільшити глибину порту, тобто перейти до короткої трубі або довгої щілини з “бортиком”. При цьому потрібно пам’ятати, що відстань від внутрішнього зрізу труби до стінки резонансної камери повинно бути не менше її “характерного” розміру, рівного квадратному кореню з площі (той самий корінь з S у знаменнику). Якщо ця умова не виконується, “надлишки” труби доведеться винести за межі корпусу або переглянути геометрію резонансної камери. Можливо, варто збільшити обсяг резонансної камери і повністю повторити розрахунки, починаючи з моделювання Поясню на прикладі. Для АС, заснованої на наведеному вище розрахунку, використана головка діаметром 25 см з площею дифузора приблизно 380 см2. Необхідно налаштувати порт на 50 Гц. Для камери об’ємом 45 л при товщині панелі 12 мм отвір площею 300 см2 дає настройку на 104 Гц, при площі 100 см2 частота настройки знижується до 77 Гц. Подальше зменшення площі отвору небажано, тому доведеться збільшити глибину порту. При тій же площі 100 см2 і глибині 48 мм частота настройки ще нижче – 67 Гц. Згнітивши серце, зменшуємо площа отвору до 74 см2 (труба із зовнішнім діаметром 100 мм, внутрішнім 97 мм), а глибину збільшуємо до 110 мм. Площа отвору становить 19% від площі дифузора, частота настройки – точно 50 Гц. Результат досягнутий, але не самим кращим чином. Оскільки внутрішня висота корпусу дорівнює 7,5 см, а характерний розмір труби – 8,6 см, вся вона повинна поміщатися поза резонансної камери. Гідність розглянутого варіанту акустичного оформлення в тому, що характеристики АС практично не залежать від завантаження багажного відсіку (приблизно до половини його об’єму). Однак реалізувати фазоїнвертор без труби можливо не з усіма типами головок, що є певним недоліком. А труба, що стирчить з задньої полиці, – естетика прямо-таки авангардистська. Втім, мистецтво (і музика в тому числі) вимагає жертв …

Акустична навантаження в АС (Плоский резонатор)
А якщо підійти до проблеми з іншого боку – винести резонансну камеру поверх полиці? Природно, динамічні головки повинні відповідати вже наведеним раніше вимогам: повна добротність в інтервалі 0,7 … 1, помірно жорсткий підвіс, невисока частота основного резонансу.
Найпростіший варіант резонансної камери – плоский акустичний екран, розміщений у безпосередній близькості перед дифузором. Маса повітря під екраном буде вести себе так само, як і в трубі фазоінвертора – Коливатися. А роль порту гратиме щілина по периметру екрану. У першому наближенні можна вважати цю конструкцію варіантом резонатора Гельмгольца, і для розрахунку можна використовувати все ту ж формулу (1), але в перетвореному вигляді – для варіанта “без труби”:

де Fb – частота резонансу, Гц; Vc – об’єм камери, см; Sb – площа порту, см2; k – коефіцієнт форми отвору (k = 1-1,25).
Однакодля розрахунку екрану формула в такому вигляді вкрай незручна, оскільки всі величини в правій частині зв’язані між собою. Крім того, незрозуміла ступінь і навіть напрям впливу тих чи інших параметрів. Тому були виведені зручні формули для розрахунку екрану (висновок формул і аналіз в кінці статті).
Для попереднього розрахунку площі екрану застосуємо наступну формулу:

де S – площа екрану, см2.
Як видно, у формулі (3) фігурує тільки площа екрану. А куди зникли інші параметри? Ретельний аналіз показав, що частота настройки слабо залежить від форми екрану і висоти його установки (перебудова в межах 10% від середнього значення). Тому для попереднього розрахунку досить врахувати середні значення цих параметрів величиною коефіцієнта в чисельнику. А для остаточного розрахунку застосувати точну формулу (4), яка приведена далі.
Неважко підрахувати, що для частот нижче 120 Гц площа екрану над полицею перевищує 1,2 м2 і подальше пониження частоти настройки обмежена розмірами автомобіля …
Точно частота настройки визначається за формулою

де h – висота встановлення екрану, см; j – коефіцієнт форми екрану, рівний: 2,03 – для круглого екрану; 2,17 – для квадратного екрану; 2,25 – для прямокутного екрану з подовженням 2:1.
Для експериментальної перевірки екран розмірами 0,99 x0, 46 м був встановлений на посиленою задній полиці автомобіля ІЖ-2126 “Ода”. Проектна частота настройки для розрахунку за формулою (3) була обрана 200 Гц, уточнена по формулі (4) – 215 Гц. У процесі регулювання і прослуховування з’ясувалося, що оптимальна висота установки екрану лежить в межах 25 … 40 мм. Дана міра дозволила усунути “провал” АГЧ в області середнього баса і згладити резонансний пік, властивий застосованим голівках.
Ескізи деталей полки не наводяться, оскільки для автомобілів інших марок розміри будуть іншими. Екран виготовлений з фанери товщиною 9 мм, для збільшення жорсткості з нижньої сторони екрану встановлений дюралевий куточок 20×20 мм. До полиці екран прикріплений шістьма довгими болтами з фланцевими гайками, що дозволяє регулювати висоту установки (рис. 5).

Зрозуміло, що така конструкція не зможе замінити сабвуфер, але зате дозволяє поліпшити відтворення НЧ нижче 200 Гц навіть від самих недорогих динаміків. Саме тому ідею автора підхопили, і в ряді міст Росії в автосервісах навіть налагоджено дрібносерійне виробництво екранованих акустичних полиць для поширених автомобілів. Крім поліпшення роботи в низькочастотному діапазоні, для споживачів важливо і те, що динаміки в такий полиці не видно і автомобіль не привертає уваги зловмисників. І зверху можна покласти що-небудь, не перекриваючи дифузор.

Пояснення та коментарі з висновком формул (3) і (4)
Для фазоінверторів відносно великій площі (коли характерний розмір порту набагато перевищує його глибину) у формулі (1) член I можна прийняти рівним нулю:

де Fb – частота резонансу, Гц; Vc – об’єм камери, см3; Sb – площа порту, см2; k – співвідношення сторін отвору.
Зазвичай в літературі ця формула наводиться в дещо іншому вигляді (2), де k (вже без міри!) Називається коефіцієнтом форми отвору і наводяться його граничні значення: 1 – для круглих і квадратних отворів і 1,25-для довгої щілини. Суть розрахунку від цього не змінюється; вказівка ​​граничних значень зручно для практичних цілей, але приховує фізичний зміст цього коефіцієнта. Для формули в традиційному поданні випадок плоского екрану взагалі не розглядається, відповідно, значення коефіцієнта для такої конфігурації в довідниках не вказана, що ускладнює аналіз. У первинній публікації [2] ця обставина сприяло помилку і помилкових висновків (в які, власне, ніхто з читачів і не вникав – практика була переконливіше теорії).
Для зручності подальшого аналізу введемо коефіцієнт “ідеальності” форми екрану i:

де Р – периметр екрану: S – площа екрану.
Для кола він мінімальний і дорівнює 3,54, для квадрата – 4, для прямокутника з співвідношенням сторін 2:1 – 4,24. Подальше подовження екрану не має сенсу навіть з міркувань компонування.
Квадратний корінь з площі екрана – не що інше, як його “характерний” розмір:

Порт в даному акустичному оформленні – не отвір, це межа між об’ємом повітря під екраном і навколишнім простором. Тому площа цього “кільцевого” порту – це твір периметра екрану на висоту його установки. У той же час обсяг під екраном – це твір його площі на висоту установки. Висловимо площа порту через периметр екрану і висоту його установки h, а об’єм камери – через площа екрану і все ту ж висоту установки. Співвідношення сторін отвори – це відношення периметра до висоти. Переходячи до “ефективному” розміром і коефіцієнту / “, отримаємо

Підставивши вираз (6) для “характерного” розміру, остаточно отримаємо

Вплив форми екрану і його розмірів
Залежно від форми екрану чисельник формули (7) буде приймати наступні значення: круглий екран – 2,03; квадратний екран – 2,17; прямокутний екран із подовженням – 2:1 – 2.25.
Таким чином, при одній і тій же площі екран круглої форми буде забезпечувати мінімальну частоту настроювання. В цілому вплив форми екрану незначно – при переході від кола до квадрату тій же площі частота настройки зростає всього на 7%.
Вплив висоти установки також незначно – при її зміні від 3 до 15 см частота настройки знижується на 7%. Подальше збільшення висоти установки екрану позбавлене сенсу.
Площа екрану виявляється найдієвішим механізмом налаштування
Підставивши середні значення висоти установки і коефіцієнта форми, отримаємо зручну формулу для попереднього розрахунку
де Fb – частота резонансу, Гц; S – площа екрану, см2.

Файл: 1.jpg 2.jpg 3.jpg 4.jpg 5.jpg 6.jpg 7.jpg 8.jpg 9.jpg 10.jpg 11.jpg 12.jpg 13.jpg 14.jpg 15.jpg