• Obudowa zamknięta (closed)

    Niniejszym rozpoczynamy serię artykułów omawiających poszczególne rodzaje obudów głośnikowych. Jako pierwszą weźmiemy "na warsztat" obudową zamkniętą - jedną z prostszych konstrukcyjnie i obliczeniowo obudów głośnikowych.


    Podstawową rolą zamkniętej obudowy głośnikowej jest całkowite odizolowanie promieniowania tylnej części membrany od słuchacza. Niestety w przeciwieństwie do nieskończenie wielkiej odgrody akustycznej obudowa zamknięta dość znacząco wpływa na parametry samego głośnika w niej zamontowanego. Wynika to choćby z faktu zamykania w takiej obudowie określonej objętości powietrza która to stanowi poduszkę powietrzną dla poruszającej się membrany jednocześnie usztywniając zawieszenie samej membrany głośnika. Wspomniana poduszka powietrzna powoduje przesunięcie się częstotliwości rezonansowej głośnika w górę (nigdy w dół !). Zapamiętajmy raz na zawsze, że głośnik w obudowie zamkniętej będzie miał zawsze wyższą częstotliwość rezonansową niż głośnik niezabudowany.

    Jaka wiedza o głośniku jest nam potrzebna by poprawnie obliczyć objętość obudowy dla danego przetwornika ? Niezbędne w tym celu będą na 3 parametry: Fs (częstotliwość rezonansowa głośnika niezabudowanego), Vas (objętość ekwiwalentna głośnika niezabudowanego) oraz Qts (dobroć całkowita głośnika niezabudowanego bez uwzględnienia elementów wchodzących w skład obwodu głośnika).

    Dla uproszczenia wzorów zdefiniujmy sobie parametr α :


    gdzie:

    Vas - objętość ekwiwalentna głośnika niezabudowanego

    Vb - objętość niewytłumionej obudowy głośnika

    Częstotliwość rezonansową głośnika w obudowie (fc) wyraża się wzorem:


    gdzie:

    fs - częstotliwość rezonansowa głośnika niezabudowanego

    Dobroć całkowita (Qtc) głośnika w obudowie jest natomiast wyrażona wzorem:


    gdzie:

    Qts - dobroć całkowita głośnika niezabudowanego

    Parę słów na temat współczynnika dobroci całkowitej:

    Wartość tego współczynnika jest to stosunek ciśnienia przy częstotliwości rezonansowej do ciśnienia referencyjnego danego głośnika. Mówiąc bardziej obrazowo dobroć całkowita (Qtc) mówi nam o tym jaki jest spadek ciśnienia przy częstotliwości rezonansowej w stosunku do ciśnienia w paśmie efektywnego przetwarzania. Odpowiednio dla:

    Qtc = 0,5 spadek wynosi 6dB

    Qtc = 0,707 spadek wynosi 3dB

    Qtc = 1 przy częstotliwości rezonansowej zostaje utrzymane ciśnienie referencyjne

    W zależności od wartości Qtc charakterystyka zaczyna opadać przed częstotliwością rezonansową wykazując wcześniej podbicia lub nie. Poniżej jednak częstotliwości rezonansowej opada zawsze z nachyleniem 12dB/oct.

    Najlepiej obrazuje to wykres rodziny charakterystyk:


    Czym powinniśmy się kierować w doborze dobroci całkowitej (Qtc) ? Oczywiście nie samym kształtem charakterystyki. Różne wartości Qtc determinują różne właściwości impulsowe. Teoretycznie najlepsze charakterystyki impulsowe mają układy o dobroci Qtc = 0,5. Wraz ze wzrostem dobroci charakterystyki impulsowe pogarszają się. Wartości niższych niż Qtc = 0,5 nie będziemy rozpatrywać ponieważ już przy Qtc = 0,5 pojawia się kilka problemów:

    1. Charakterystyka opada bardzo łagodnie, ale (jak widać na wykresie rodziny charakterystyk) zaczyna to robić bardzo wcześnie. Częstotliwość rezonansowa leży nisko, ale jest odtwarzana ze znacznym spadkiem efektywności (-6dB)
    2. By uzyskać tak niską wartość dobroci konieczna jest bardzo duża obudowa
    3. Przy tak nisko leżącej fs układ drgający będzie miał bardzo duże wychylenie czyli cierpi na tym wytrzymałość mocowa głośnika (głośnik może ulec uszkodzeniu na skutek wychyleń membrany sięgających maksymalnego wychylenia z punktu widzenia mechanicznego).


    W praktyce rozpatruje się przedział dobroci pomiedzy 0,6 a 1,0 - w tym zakresie charakterystyki impulsowe pozostają na bardzo dobrym poziomie, układ drgający głośnika nie jest poddawany zbyt dużym wychyleniom, a efektywność przetwarzania w zakresie częstotliwości rezonansowej leży na przyzwoitym poziomie. Oczywiście rozpatrywanie obudów gwarantujących nam wspomniany zakres dobroci nie jest regułą żelazną. W zależności od parametrów głośnika możemy pokusić się o odstępstwo od tej reguły - zarówno zmniejszając dobroć Qtc (w przypadku dążenia do niskiej częstotliwości rezonansowej) jak i zwiększając (w przypadku dążenia do doskonałej wytrzymałości mocowej).

    Poszczególne wartości dobroci Qtc mają swoiste "nazwy" charakterystyk z nich wynikająch:

    Qtc = 0,5 - strojenie o tłumieniu krytycznym - najlepsze charakterystyki impulsowe

    Qtc = 0,58 - strojenie Bessel'a

    Qtc = 0,707 - strojenie Butterworth'a - charakterystyka ma maksymalnie rozciągnięty liniowy zakres przetwarzania

    Qtc = 1,4 - strojenie Chebychev'a

    Skoro znamy już wzory i wiemy co nieco o dobroci całkowitej układu można sobie odpowiedzieć na pytanie jak obliczyć obudowę.

    Otóż przede wszystkim zakładamy dobroć jaką chcemy uzyskać. Znając dobroć Qts głośnika i mając założoną wartość dobroci Qtc możemy wyznaczyć wartość współczynnika α:


    Ze wzoru na α z łatwością wyznaczymy objętość obudowy (Vb):


    Oraz korzystając ze wzoru podanego wcześniej obliczymy częstotliwość rezonansową głośnika w obudowie o objętości Vb.


    Oczywiście nie namawiam do obliczania obudów głośnikowych "na piechotę" jednak znajomość powyższych wzorów pozwala nam zrozumieć mechanizm z jakiego korzystają programy symulacyjne.

    Pozostaje jedno "ale". Wszystkie nasze rozważania do tej pory dotyczyły obudowy nie wytłumionej. W jaki sposób zatem uwzględnić wytłumienie, które zamierzamy umieścić w obudowie (będące integralną jej częścią) ?

    W niniejszym artykule nie będziemy się "wgryzać" w temat konsekwencji jakie pociąga za sobą samo wytłumienie. Zapamiętajmy jednak, że wytłumienie powoduje (między innymi) zwiększenie podatności, co pociąga za sobą zmniejszenie wartości Qtc i fc. Najprostszym sposobem jest podzielenie Vb przez współczynnik wynoszący ok. 1,2. Poprawka ta jest odpowiednia dla 50-100% wypełnienia wytłumieniem o małej gęstości.

    Warto jednak zauważyć, że wpływ wytłumienia jest przeciwnie skierowany do wpływu rezystancji szeregowej w obwodzie głośnika, a co za tym idzie te dwa zjawiska się nawzajem kompensują. Wniosek z tego, że w pobieżnych obliczeniach nie warto uwzględniać ani wpływu wytłumienia, ani wpływu rezystancji szeregowej.


    Na koniec naszych teoretycznych rozważań odpowiemy sobie na pytanie: jakie głośniki nadają się do obudów zamkniętych ? Aby to określić musimy zdefiniować parametr głośnika nazwany EBP (efficiency bandwidth product). Parametr EBP jest stosunkiem częstotliwości rezonansowej głośnika niezabudowanego do dobroci elektrycznej głośnika Qes.


    Bardzo ogólna (lecz nie żelazna) reguła mówi, że głośniki o EBP<50 doskonale nadają się do obudów zamkniętych. W przypadku EBP z przedziału 50…100 głośniki można aplikować zarówno w obudowy zamknięte jak i bass-reflex. EBP>100 mówi nam o przeznaczeniu głośnika do obudów bass-reflex.

    Upraszczając nieco problem można ogólnie przyjąć, że głośniki o Qts<0,3 aplikujemy w obudowy bass-reflex, 0,3<Qts<0,4 - głośniki możliwe do aplikowania w obudowach zamkniętych i b-r, Qts>0,4 - obudowy zamknięte.

    Nie można jednak potępiać stosowania głośników o bardzo niskim Qts (charakteryzujących się bardzo silnym układem magnetycznym) w obudowach zamkniętych, a to dlatego, że nic nie stoi na przeszkodzie przejścia z dowolnie niskiej dobroci do wyższej. Odwrotne działanie jest niemożliwe.


    Kilka wskazówek konstrukcyjnych:

    1. Obudowa zamknięta musi być szczelna. Nieszczelności w obudowie powodują zwiększenie amplitudy drgań membrany na skutek większej podatności poduszki powietrznej, dodatkową, niepożądaną emisję fal dźwiękowych poprzez nieszczelności oraz zmniejszenie dobroci Qtc. Sprawdzenie szczelności obudowy można w banalny sposób: wciskamy powoli palcami membranę głośnika do środka (używając umiarkowanej siły), chwilę trzymamy ją wciśniętą, a następnie gwałtownie puszczamy. Membrana powinna wolnym ruchem powrócić do położenia początkowego. Jeśli membrana wróci szybko do położenia początkowego świadczy to o nieszczelności obudowy.
    2. Obudowa zamknięta musi być możliwie sztywna - wewnątrz obudowy panują spore ciśnienia. Ruchy ścianek powodują niepożądaną emisję dźwięku


    W jaki sposób tłumimy obudowy oraz co powoduje zastosowanie wytłumienia dowiecie się z innego artykułu już wkrótce.

    Q (2005)