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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 자동차의 저음: 비표준 솔루션. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
최소한의 비용으로 자동차 스피커 시스템에서 효과적으로 재생 가능한 주파수의 대역폭을 확장하는 방법은 무엇입니까? 자동차 오디오 대회에 반복적으로 참여하고 지칠 줄 모르는 실험자인 저자는 유용한 볼륨을 크게 줄이지 않고도 스피커 시스템의 "저음"을 눈에 띄게 향상시킬 수 있는 독창적인 설계 솔루션(계산 공식 적용)을 제공합니다. 트렁크의. 자동차에 스피커 시스템을 구축할 때 발생하는 주요 문제는 해당 범위의 낮은 주파수 재생이 약화된다는 것입니다. 기성품 또는 집에서 만든 서브우퍼는 "베이스" 문제에 대한 가장 근본적인 해결책입니다. 하지만 박스 형태의 차체는 트렁크 공간을 많이 차지하며, 자동차의 복잡한 곡면을 반복하는 내장 구조는 제작에 매우 손이 많이 간다. 따라서 박스리스 서브우퍼는 고유한 단점에도 불구하고 여전히 인기가 있습니다. 솔루션의 단순성도 중요한 역할을 합니다. 자유 공기 설계의 후면 선반에 스피커(운전자용 - 다이내믹 헤드의 동의어)를 설치하려면 특별한 자격이 필요하지 않습니다. 그러나 이 방법은 트렁크가 칸막이로 승객실과 분리되어 있는 "실제" 세단에만 적합합니다. 그렇지 않으면 이 음향 설계의 견고성은 매우 조건적이며 저주파 재생이 저하됩니다. 또한 뒷창 선반 치수는 동적 헤드의 최대 크기를 제한하므로 대부분의 일반적인 차량에서는 6,5-8" 직경의 둥근 헤드 또는 6x9(7x10)" 타원형 헤드가 제한됩니다. 해치백에는 이러한 문제가 없으며 XNUMX인치 서브우퍼 헤드를 후면 선반에 쉽게 배치할 수 있습니다. 하지만 문제를 해결하는 것은 그리 쉽지 않습니다. 허술한 후면 선반은 그다지 나쁘지 않습니다. 실제 문제는 트렁크 볼륨을 승객실에서 분리하는 것이 극히 어렵다는 것입니다. 결과적으로 이러한 솔루션의 이점보다 더 많은 문제가 있습니다. 선반의 연결부를 트렁크 측면 및 뒷좌석 뒷면과 밀봉하는 것은 비현실적입니다. 이 경우 음향 설계는 더 이상 "조건부 폐쇄형" 상자가 아니라 음향 스크린입니다. 결과적으로 누출 손실은 대형 디퓨저의 모든 장점을 "먹습니다". 입력 전력을 높이거나 주파수 응답을 수정해도 상황이 저장되지는 않습니다. 다행스럽게도 손실은 50Hz 미만의 주파수에서 높은 입력 전력에서만 중요합니다. 몸통의 부피가 증가함에 따라 감소합니다 (압력 변화 정도가 감소함). 구동 볼륨이 작은(더 작은 콘 영역 및 작은 스트로크) 스피커를 사용하면 손실을 더욱 줄일 수 있습니다. 그러나 효율성이 낮기 때문에 이 경로는 관심이 없습니다. 음향 설계 유형을 변경하면 문제를 해결할 수 있습니다. 해치백에서는 스피커 설치를 위한 후면 선반을 최소한 강화해야 하고 최대한 새로 만들어야 하기 때문에 디자인이 약간 복잡해지는 것은 그리 큰 단점이 아닙니다. 또한 자동차 저주파 헤드의 음향 설계에 대한 두 가지 옵션이 제안되었으며 이는 실제로 반복적으로 테스트되었습니다[1,2]. 스트립 확성기 최대 효율의 관점에서는 밴드패스 스피커(Bandpass)를 사용하는 것이 가장 유리합니다. 첫째, 이러한 유형의 음향 설계는 대역 외 신호를 재생하지 않습니다. 따라서 서브우퍼의 주파수 응답을 형성하는 신호 경로에 전기 필터를 사용하는 것은 더 이상 엄격히 필수 사항이 아닙니다. 둘째, 대역통과 스피커의 효율성은 다른 유형의 음향 설계보다 훨씬 높으므로 상대적으로 저전력 증폭기를 사용할 수 있습니다. 이러한 상황을 통해 서브우퍼가 헤드 유닛(라디오)에서 직접 작동할 수 있습니다. 이는 추가 앰프를 설치하고 싶지 않은 사람들에게 특히 매력적입니다. 우리의 목적을 위해서는 동적 헤드가 설치된 칸막이에 폐쇄형 챔버와 공진형 챔버 두 개로 구성된 1차 시스템이 특히 편리합니다. 트렁크를 폐쇄형 챔버로 사용하고 선반을 위상 인버터가 장착된 공진 챔버로 전환합니다(그림 XNUMX).
반대의 경우도 가능하지만 누출 가능성, 특히 트렁크의 가변 볼륨(충진에 따라 다름)이 공진실의 튜닝에 설정보다 훨씬 더 큰 영향을 미치기 때문에 구현하기가 쉽지 않습니다. 하나를 닫았습니다. 예, 계산에 필요한 트렁크 부피의 정확한 값을 찾는 것은 거의 불가능합니다. 단일 자동차 제조업체는 최대 XNUMX리터의 정확도를 제공하지 않습니다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과에 따른 이러한 변형의 효율성은 눈에 띄게 낮습니다. Bandpass를 사용하면 스피커 시스템의 주파수 응답을 유연하게 제어할 수 있습니다. 주요 특성은 공진실에 의해 결정되며, 닫힌 챔버의 부피는 헤드의 공진 주파수와 품질 계수를 조정하는 도구로 간주될 수 있습니다. 그러나 우리의 경우 특정 제한 사항이 적용됩니다. 일부 설계 매개변수는 "객관적 현실"이며 임의로 변경할 수 없습니다. 따라서 닫힌 음향실 역할을 하는 이 버전에서 트렁크의 부피는 일반적으로 최소 300리터이며 변경하기가 어렵습니다. 다행스럽게도 헤드 매개변수를 적절하게 선택하면 닫힌 챔버의 부피가 주파수 응답에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. JBL Speaker Shop 프로그램을 통한 다양한 옵션 시뮬레이션을 통해 매개변수의 주요 비율을 결정할 수 있었습니다(그림 2).
제안된 설계에서는 공진실의 부피와 위상 인버터 포트의 크기가 상당히 허용됩니다. 등가 체적에 비해 공명실의 체적이 증가하면 대역폭이 좁아지고, 공명실의 체적이 감소하면 대역은 확장되지만 주파수 응답은 이중으로 뭉쳐지게 됩니다. 트렁크의 실제 부피와 공진실의 사용 가능한 부피를 고려하면 다음 매개변수를 가진 동적 헤드가 이러한 설계에 가장 적합합니다. 총 품질 계수 Qts = 0,7 ... 1,0; 등가 부피 Vas = 10...60 l; 자연 공진 주파수 Fb = 40...60Hz. 이러한 조건은 "진지한" 연설자뿐만 아니라 대부분의 "팬케이크"에서도 충족됩니다. "동일 트렁크에 있는" AU의 시뮬레이션 결과가 그림에 나와 있습니다. 삼.
여기서는 50Hz 미만의 주파수 범위에서 지정된 매개변수를 갖는 동적 헤드를 갖춘 대역통과 시스템의 효율성이 (적어도 이론적으로는) 폐쇄형 케이스의 효율보다 눈에 띄게 높다는 것을 알 수 있습니다. -3dB 레벨에서 닫힌 케이스의 차단 주파수는 42Hz에 불과하고 대역통과 스피커의 경우 27Hz입니다. 동시에 가장 낮은 주파수 (15 ... 30Hz) 영역에서 대역 통과는 동일한 볼륨으로 만들어진 위상 인버터보다 열등하지만 위상 통과 대역의 주파수 응답 불균일 인버터가 더 높습니다. 사실, 그러한 볼륨의 위상 인버터의 경우 의도 된 목적으로 트렁크를 사용하는 것이 매우 어려울 것입니다 ... 제안된 디자인의 실제 구현은 어렵지 않습니다. 전형적인 강화 선반을 살펴보십시오(그림 4).
대역통과로 전환하려면 밀봉된 공진실과 위상 인버터만 부족합니다. 그리고 공진실의 겉보기에 인상적인 부피에도 불구하고 시각적으로 크지 않습니다. 패널 크기가 45x.1,1m인 55리터의 계산에서 얻은 부피의 경우 챔버의 내부 높이는 7,5cm에 불과합니다! 벽의 두께를 고려하면 전체 높이는 10cm를 넘지 않으며 이러한 트렁크 높이 손실은 고통없이 전달될 수 있습니다. 대부분의 모델링 프로그램은 일반적으로 원형 단면에서만 위상 인버터 포트를 계산합니다.특수 프로그램을 사용하지 않고 위상 인버터를 계산하려면 잘 알려진 공식 [3]을 사용할 수 있습니다.
여기서 Fb - 공진 주파수, Hz; V, - 챔버 부피, cm3; S, - 포트 면적, cm2; l - 터널 길이(패널 두께), cm; k - 구멍의 종횡비 제조 기술의 입장에서는 파이프를 사용하지 않고 패널에 구멍 형태로 위상 인버터 포트를 만드는 것이 가장 편리합니다. 수학적 변환이 구멍 크기 계산에 편리한 형식으로 공식을 가져오지 않으므로 연속 근사 방법을 사용하는 것이 더 쉽습니다. 첫 번째 근사치에서 구멍의 단면적은 디퓨저 면적(스피커가 여러 개인 경우 디퓨저의 전체 면적)의 50 ~ 70% 내에서 선택됩니다. 그런 다음, 주어진 패널 두께와 공진실의 부피에 따라 위상 반전기의 튜닝 주파수가 결정됩니다. 그런 다음 구멍의 영역을 개선하고 결과를 "포크"로 만드는 데 몇 번의 반복만 남습니다. 튜닝 주파수(증가 방향)의 최종 조정을 위해 구멍 모양 계수 k를 사용하는 것이 편리합니다. 0,12의 거듭제곱에 대한 값은 매우 느리게 증가하고 구멍의 신장은 1,4를 초과하지 않습니다... 1,6 매우 좁고 긴 슬롯의 경우에도 마찬가지입니다(1:20...1:50). 모든 계산 결과 구멍 면적이 여전히 디퓨저 면적의 20% 미만인 경우 포트 깊이를 늘리는 것이 좋습니다. 즉, "측면이 있는 짧은 파이프나 긴 슬롯으로 이동합니다. ". 이 경우 파이프의 내부 절단부에서 공진실 벽까지의 거리는 적어도 면적의 제곱근(S의 동일한 루트)과 동일한 "특성" 크기여야 한다는 점을 기억해야 합니다. 분모). 이 조건이 충족되지 않으면 파이프의 "잉여물"을 본체에서 꺼내거나 공진실의 기하학적 구조를 수정해야 합니다. 아마도 공진실의 부피를 늘리고 시뮬레이션부터 시작하여 계산을 완전히 반복하는 것이 가치가 있을 것입니다. 예를 들어 설명하겠습니다. 스피커의 경우 위의 계산을 바탕으로 직경 25cm, 원뿔 면적 약 380cm2의 헤드를 사용했습니다. 포트는 50Hz로 설정되어야 합니다. 패널 두께가 45mm인 12l 챔버의 경우 300cm2 구멍은 104Hz의 튜닝을 제공하고 100cm2의 영역에서는 튜닝 주파수가 77Hz로 감소합니다. 구멍 면적을 더 줄이는 것은 바람직하지 않으므로 포트 깊이를 늘려야 합니다. 100cm2의 동일한 면적과 48mm의 깊이로 튜닝 주파수는 67Hz로 훨씬 더 낮습니다. 마지못해 구멍 면적을 74cm2(외경 100mm, 내경 97mm의 파이프)로 줄이고 깊이를 110mm로 늘립니다. 구멍 면적은 원뿔 면적의 19%이고 튜닝 주파수는 정확히 50Hz입니다. 결과는 달성되었지만 최선의 방법은 아닙니다. 본체의 내부 높이가 7,5cm이고 튜브의 특성 크기가 8,6cm이므로 전체 튜브가 공명실 외부에 맞아야 합니다. 고려된 음향 설계 옵션의 장점은 스피커의 특성이 트렁크 로딩(부피의 최대 약 절반)과 실질적으로 독립적이라는 것입니다. 그러나 모든 종류의 헤드를 갖춘 파이프 없이 위상 인버터를 구현하는 것이 불가능하다는 점은 분명한 단점이다. 그리고 뒤쪽 선반에 튀어나온 파이프는 그야말로 아방가르드한 미학이다. 그러나 예술(음악을 포함)에는 희생이 따른다... 스피커의 음향 부하(플랫 공진기) 그리고 반대편에서 문제에 접근한다면 선반 위에 있는 공진실을 꺼내시겠습니까? 당연히 다이나믹 헤드는 이전에 이미 제시한 요구 사항을 충족해야 합니다. 즉, 0,7 ... 1 범위의 전체 품질 계수, 적당히 견고한 서스펜션, 주 공진의 낮은 주파수입니다. 공명 챔버의 가장 간단한 버전은 디퓨저에 근접하게 배치된 평면 음향 스크린입니다. 스크린 아래의 공기 덩어리는 위상 인버터 파이프에서와 동일한 방식으로 작동하며 진동합니다. 그리고 포트의 역할은 화면 주변의 슬롯에서 수행됩니다. 첫 번째 근사치에서 이 디자인은 Helmholtz 공진기의 변형으로 간주될 수 있으며 동일한 공식 (1)을 계산에 사용할 수 있지만 "파이프 없음" 변형의 경우 변환된 형식으로 사용할 수 있습니다.
여기서 Fb - 공진 주파수, Hz; Vc - 챔버 부피, cm; Sb - 포트 면적, cm2; k - 구멍 형상 계수(k = 1-1,25). 그러나 화면을 계산할 때 이 형식의 수식은 오른쪽의 모든 수량이 서로 연결되어 있기 때문에 매우 불편합니다. 또한 특정 매개변수가 영향을 미치는 정도와 방향조차 명확하지 않습니다. 따라서 화면을 계산하기 위한 편리한 수식을 도출하였다(수식 도출 및 분석은 글 마지막 부분 참조). 화면 영역의 예비 계산을 위해 다음 공식을 적용합니다.
여기서 S는 화면 영역, cm2입니다. 볼 수 있듯이 공식 (3)에서는 화면 영역만 나타납니다. 나머지 설정은 어디로 갔나요? 면밀한 분석을 통해 튜닝 빈도는 스크린의 모양과 설치 높이에 따라 약하게 달라지는 것으로 나타났습니다(평균값의 10% 이내 튜닝). 따라서 예비 계산의 경우 분자의 계수 값으로 이러한 매개 변수의 평균값을 고려하는 것으로 충분합니다. 그리고 최종 계산을 위해 아래 주어진 정확한 공식 (4)를 적용하십시오. 120Hz 미만의 주파수에서는 선반 위의 스크린 영역이 1,2m2를 초과하고 튜닝 주파수의 추가 감소는 차량 크기에 따라 제한된다는 것을 쉽게 계산할 수 있습니다. 정확한 튜닝 주파수는 공식에 의해 결정됩니다.
여기서 h - 스크린 설치 높이, cm; j - 스크린 모양의 계수, 2,03 - 원형 스크린의 경우; 2,17 - 정사각형 화면의 경우 2,25 - 확장자가 2:1인 직사각형 화면의 경우. 실험적 검증을 위해 IZH-0,99 "Oda" 차량의 강화된 후면 선반에 0,46x2126m 크기의 스크린을 설치했습니다. 공식(3)에 의한 계산을 위한 설계 튜닝 주파수는 200Hz로 선택되었으며 공식(4) - 215Hz로 개선되었습니다. 조정 및 청취 과정에서 최적의 스크린 설치 높이가 25 ~ 40mm 이내인 것으로 나타났습니다. 이 조치를 통해 중저음 영역의 주파수 응답의 "실패"를 제거하고 적용된 헤드의 공진 피크 특성을 부드럽게 할 수 있었습니다. 다른 브랜드의 자동차의 경우 치수가 다르기 때문에 선반 부품의 스케치는 제공되지 않습니다. 스크린은 9mm 두께의 합판으로 제작되었으며 강성을 높이기 위해 스크린 하단에 20x20mm 두랄루민 코너를 설치했습니다. 스크린은 플랜지 너트가 있는 5개의 긴 볼트로 선반에 부착되어 설치 높이를 조정할 수 있습니다(그림 XNUMX).
이러한 디자인이 서브우퍼를 대체할 수는 없지만 가장 저렴한 스피커에서도 200Hz 미만의 저음 재생을 향상시킬 수 있다는 것은 분명합니다. 이것이 저자의 아이디어가 채택된 이유이며, 러시아의 여러 도시에서는 자동차 서비스 업체가 일반 자동차용 차폐 음향 선반의 소규모 생산을 시작하기도 했습니다. 저주파 성능을 향상시키는 것 외에도 선반에 있는 스피커가 보이지 않고 자동차가 침입자의 관심을 끌지 않는 것도 소비자에게 중요합니다. 그리고 디퓨저를 막지 않고도 위에 물건을 올려 놓을 수 있습니다. 식 (3) 및 (4)의 유도에 대한 설명 및 주석 공식 (1)에서 상대적으로 넓은 면적(포트의 특성 크기가 깊이보다 훨씬 큰 경우)의 위상 인버터의 경우 I 항은 XNUMX과 동일하게 취할 수 있습니다.
여기서 Fb - 공진 주파수, Hz; Vc - 챔버 부피, cm3; Sb - 포트 면적, cm2; k는 구멍의 종횡비입니다. 일반적으로 문헌에서 이 공식은 약간 다른 형식(2)으로 제공됩니다. 여기서 k(이미 학위가 없습니다!)를 구멍의 형상 계수라고 하며 그 경계 값은 원형 및 사각형 구멍의 경우 1이고 긴 슬롯의 경우 1,25입니다. 계산의 본질은 이것으로부터 변하지 않습니다. 경계값 표시는 실용적인 목적으로는 편리하지만 이 계수의 물리적 의미를 숨깁니다. 전통적인 표현의 공식의 경우 평면 스크린의 경우는 전혀 고려되지 않으므로 이러한 구성에 대한 계수 값이 참고서에 표시되지 않아 분석이 복잡해집니다. 원본 출판물 [2]에서 이러한 상황은 오류와 잘못된 결론에 기여했습니다. 실제로 독자 중 누구도 탐구하지 않았으며 실제가 이론보다 더 설득력이 있었습니다. 추가 분석의 편의를 위해 화면 모양 i의 "이상적인" 계수를 소개합니다.
여기서 P는 화면 둘레입니다. S는 화면 영역입니다. 원의 경우 최소값이며 3,54, 정사각형의 경우 - 4, 종횡비가 2:1 - 4,24인 직사각형의 경우입니다. 레이아웃상의 이유로도 화면을 더 늘리는 것은 의미가 없습니다. 화면 영역의 제곱근은 "특성" 크기에 불과합니다.
이 음향 디자인의 포트는 구멍이 아니라 스크린 아래의 공기량과 주변 공간 사이의 경계입니다. 따라서 이 "링" 포트의 면적은 스크린 둘레와 설치 높이의 곱입니다. 동시에, 스크린 아래의 부피는 해당 면적과 설치 높이의 곱입니다. 포트 면적을 스크린 둘레와 설치 높이 h로 표현하고, 챔버 부피를 스크린 면적과 동일한 설치 높이로 표현하겠습니다. 구멍의 종횡비는 둘레와 높이의 비율입니다. "유효한" 크기와 계수를 전달하면 다음을 얻습니다.
"특성"크기를 식 (6)으로 대체하면 최종적으로 다음을 얻습니다.
화면 모양 및 크기의 영향 화면의 모양에 따라 공식 (7)의 분자는 다음 값을 취합니다: 원형 화면 - 2,03; 정사각형 화면 - 2,17; 신장률이 2:1 - 2.25인 직사각형 스크린. 따라서 동일한 영역에서 원형 스크린은 최소 튜닝 주파수를 제공합니다. 일반적으로 화면 모양의 영향은 미미합니다. 동일한 영역의 원에서 정사각형으로 이동할 때 튜닝 주파수는 7%만 증가합니다. 설치 높이의 영향도 미미합니다. 높이가 3cm에서 15cm로 변경되면 튜닝 빈도가 7% 감소합니다. 스크린 설치 높이를 더 높이는 것은 의미가 없습니다. 화면 영역이 가장 효과적인 조정 메커니즘임이 입증됨 평균 설치 높이와 폼 팩터를 대체하면 예비 계산을 위한 편리한 공식을 얻을 수 있습니다.
여기서 Fb - 공진 주파수, Hz; S - 화면 영역, cm2. 문학
저자: A. Shikhatov, 모스크바
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