Kurs_V12.pdf

K U R S

Niezbędnik dla amatorów i profesjonalistów

W głośnikowym żywiole, część 12

Obudowy bas-refleks, część 4

Poprzedni odcinek cyklu, poświęcony konstruowaniu obudów bas-

reﬂeks, zakończyliśmy następującymi wnioskami: nie dysponując

programami komputerowymi ustalającymi dla dowolnego

strojenia charakterystyki impulsowe i obciążenia amplitudowego,

musimy zdać się na przedstawione miesiąc temu tabele

i ogólne wskazówki. Stosowanie się do nich pozwoli zrealizować

strojenia poprawne, chociaż niekoniecznie najlepsze z możliwych.

Strojenie niekonwencjonalne, ale oparte na śledzeniu wszystkich

charakterystyk, może okazać się jeszcze lepsze. Takimi

eksperymentami zajmiemy się jednak za dwa miesiące, a w

ciągu dwóch najbliższych odcinków przedstawimy sposoby

obliczenia parametrów samego tunelu, dla danej częstotliwości

rezonansowej i objętości obudowy.

gdzie:

V b – objętość obudowy [cm 3 ]

L v – długość tunelu [cm]

S v – powierzchnia tunelu [cm 2 ]

Przy określonej objętości obudo-

wy, zadaną częstotliwość rezonanso-

wą możemy więc osiągnąć różnymi

kombinacjami powierzchni otworu

i długości jego tunelu. Co jest lep-

sze – mały otwór z krótkim tunelem

czy duży otwór z długim tunelem?

Najlepszy byłby duży otwór z krót-

kim tunelem... otwierają się kolejne

zagadnienia.

Otwór duży czy mały?

Niegdyś dość rozpowszechnione

było mniemanie, że duże otwory,

spotykane np. w konstrukcjach es-

tradowych, pracują efektywniej, ale

bardziej zaznaczają zjawisko rezonan-

su bas-reﬂeks i w ślad za tym są

narażone na gorsze charakterystyki

impulsowe, a małe otwory są roz-

wiązaniem „delikatniejszym”, lepiej

dostosowanym do wysokiej klasy

urządzeń hi-ﬁ. Powody stosowania

mniejszych otworów w domowych

zespołach głośnikowych są jednak

zupełnie inne.

Duża powierzchnia tunelu jest

jednoznacznie korzystna ze względu

na liniowość pracy układu rezonan-

sowego. Tym razem nie chodzi o li-

niowość częstotliwościowej charakte-

rystyki przetwarzania, ale o linio-

wość w funkcji mocy. Otwór powi-

nien przenosić zawartą w nim masę

powietrza bez zahamowań, a te po-

wstają, jeżeli wymuszamy zbyt duże

prędkości przepływu. Otwór większy

pod tym względem zawsze będzie

lepszy, zwłaszcza jeżeli bierzemy

pod uwagę wykorzystywanie głośnika

w pełnym zakresie dopuszczalnych

dla niego wychyleń. Dopiero bardzo

duże otwory, o powierzchni 1 / 4 po-

wierzchni głośnika i większe, pozwa-

lają uznać problem nieliniowości za

rozwiązany. Ale poziom zniekształ-

ceń generowanych przez nieliniowość

działania układu rezonansowego za-

leży od tego, w jakim podzakresie

W tunelu i w obudowie

Przypomnĳmy w skrócie procedu-

rę – dysponując głośnikiem o danej

wartości Q ts (skorygowanej ze wzglę-

du na rezystancje szeregowe), wy-

bieramy jeden z dostępnych dla tej

dobroci modeli strojenia. Współczyn-

nik alfa pozwala obliczyć objętość

obudowy (musimy w tym celu znać

V AS ), a współczynnik H częstotliwość

rezonansową systemu bas-reﬂeks.

Częstotliwość rezonansowa obudowy,

jak już wiemy, zależy od podatno-

ści (powietrza w obudowie) i masy

(powietrza w otworze). Przypomnĳmy

też, jeszcze z zajęć poświęconych

obudowie zamkniętej, że podatność

powietrza w obudowie zależy nie

tylko od jego objętości, ale i od po-

wierzchni, jaka na nią działa – im

jest ona większa, tym podatność

jest mniejsza. Dlatego, im większa

powierzchnia otworu, tym mniejsza

podatność powietrza w obudowie

o danej objętości, a w ślad za tym

wyższa częstotliwości rezonansowa.

Z drugiej jednak strony, im większa

powierzchnia otworu przy tunelu

o danej długości, tym większa masa

drgająca powietrza, a więc... niższa

częstotliwość rezonansowa. Ostatecz-

nie jednak wzrost powierzchni otwo-

ru powoduje wzrost częstotliwości

rezonansowej, ponieważ na zmniej-

szenie podatności wpływa on w dru-

giej potędze, a na zwiększenie masy

liniowo.

Mając określoną objętość obudo-

wy, możemy regulować częstotliwość

rezonansową obudowy zmianami po-

wierzchni otworu i zainstalowanego

w nim tunelu. Z tego wynika, że

x -razy większa powierzchnia otworu

będzie wymuszała około x -razy więk-

szą długość tunelu ( rys . 44 ). Układ

bas-reﬂeks może funkcjonować i bez

tunelu, i czasami konstrukcje takie

można spotkać. Chociaż i sama gru-

bość ścianek obudowy tworzy tunel,

to nawet przy nieskończenie cien-

kich ściankach (czyli przy nieskoń-

czenie krótkim tunelu), pojawi się

masa drgająca w otworze – będzie

ona miała kształt „soczewki”. Wy-

brzuszenie powietrza drgającego po

obydwu stronach otworu pozostaje

i przy założonym tunelu i powodu-

je wprowadzenie we wzorach odpo-

wiedniej poprawki, zwanej poprawką

wlotu i wylotu.

Wzór określający z dobrym przy-

bliżeniem częstotliwość rezonansową

obudowy bas-reﬂeks, w zależności

od jej objętości, powierzchni otworu

i długości tunelu, jest następujący:

Elektronika Praktyczna 10/2004

K U R S

Rys. 44. Taką samą częstotliwość

rezonansową obudowy o określonej

objętości możemy uzyskać za po-

mocą otworów i tuneli o różnych

wymiarach. Dla utrzymania okre-

ślonej częstotliwości rezonansowej,

wraz ze zwiększaniem powierzchni

otworu, należy proporcjonalnie

zwiększać długość tunelu

wadzał w błąd – bezpośrednim po-

wodem tego podbicia było przestra-

janie obudowy w stronę wyższych

częstotliwości rezonansowych, a nie

zwiększanie powierzchni otworu. Na

marginesie można jeszcze dodać,

że małe otwory, właśnie na skutek

swojej „niewydolności”, są pomocne

w ograniczeniu wychyleń membrany

przy najniższych częstotliwościach,

poniżej częstotliwości rezonansowej

obudowy. Niezdolne do przeniesienia

dużej masy powietrza, hamują jego

ruch w całym układzie, i poprzez

to hamują ruch samej membrany.

Oczywiście właśnie to jest równo-

cześnie powodem powstawania znie-

kształceń.

Rys. 45. W otworach o bardzo

małej powierzchni (w stosunku do

powierzchni membrany głośnika),

na skutek wymuszania dużych pręd-

kości przepływu powietrza, pojawia

się zjawisko kompresji i nieliniowość

działania układu rezonansowego,

ale w tunelach znacznie dłuższych

niż średnica otworu powstają rezo-

nanse pasożytnicze

wychyleń membrany się znajduje-

my; jeżeli więc mając duży głośnik

o dużej amplitudzie liniowej, najczę-

ściej używamy go do słuchania przy

umiarkowanych poziomach wystero-

wania, to możemy stosować mały

otwór, bo problemy „przesterowania”

układu rezonansowego nie będą się

często ujawniały. W opozycji do tej

sytuacji są właśnie instalacje nagło-

śnieniowe, które bezwzględnie wy-

magają dużych otworów, gdyż czę-

sto pracują na „pełnych obrotach”.

Dlaczego jednak, na wszelki wypa-

dek, nie stosuje się dużych otworów

również w konstrukcjach do użytku

domowego? Już się domyślamy, dla-

czego: nie z powodu ich nadmiernej

„rezonansowości”, bo takie zjawisko

nie istnieje (o ile ustalona jest pra-

widłowa częstotliwość rezonansowa

w obudowie o prawidłowej objęto-

ści), ale z konieczności – bezkom-

promisowo duży otwór bardzo czę-

sto wymuszałby zastosowanie bardzo

długiego tunelu (dla ustalenia okre-

ślonej częstotliwości rezonansowej

w obudowie o określonej objętości),

trudnego do zrealizowania w prak-

tyce. Oczywiście, jeżeli powiększy-

my otwór, nie wydłużając tunelu,

to przesuniemy w górę częstotliwość

rezonansową, i jeżeli wcześniej była

ona prawidłowa, to teraz będzie za

wysoka, a za wysoka częstotliwość

rezonansowa pogarsza zarówno cha-

rakterystykę przetwarzania, wywołu-

jąc na niej podbicie, jak i charak-

terystykę impulsową. Zamieszczony

niegdyś w książce A. Witorta „Gło-

śniki i zespoły głośnikowe” (WKiŁ

1976) rysunek zatytułowany „charak-

terystyki przenoszenia w zależności

od wymiarów otworu”, pokazujący

zwiększające się podbicie na cha-

rakterystyce wraz ze zwiększaniem

powierzchni otworu, poważnie wpro-

Rezonanse pasożytnicze

Na otwory o umiarkowanej po-

wierzchni nie należy się jednak

obrażać. Niezależnie od kłopotów

z zainstalowaniem długich tune-

li, tunele takie wprowadzają swoje

własne problemy – pasożytnicze re-

zonanse „piszczałkowe”. Jeżeli tunel

jest dłuższy od swojej średnicy, za-

czyna być narażony na powstawanie

w nim fal stojących między wlotem

i wylotem – właśnie rezonansów

„piszczałkowych” ( rys. 45 ). Przy-

pomnĳmy, że dla utrzymania okre-

ślonej częstotliwości rezonansowej,

wraz z powiększeniem powierzchni

otworu, musimy proporcjonalnie wy-

dłużyć tunel. Ale dwukrotne zwięk-

szenie powierzchni otworu ozna-

cza zwiększenie jego średnicy tylko

o pierwiastek z dwóch i jeżeli rów-

nocześnie wydłużamy dwukrotnie tu-

nel, to stosunek średnicy i długości

tunelu ulega zmniejszeniu, czyli po-

gorszeniu ze względu na podatność

na fale stojące. Istotny jest nie tylko

stosunek średnicy otworu do dłu-

gości tunelu, określający narażenie

takiego ustroju akustycznego na po-

wstawanie w nim fal stojących, ale

i sama długość tunelu, określająca,

w jakim zakresie częstotliwości zja-

wiska rezonansowe mogą zaistnieć.

Należy to skonfrontować z zakresem

częstotliwości, w jakim pracuje gło-

śnik. Jeżeli projektujemy obudowę

dla subwoofera, który będzie praco-

wał najwyżej do 150 Hz, to poten-

cjalne rezonanse leżące powyżej nie

muszą nas interesować – nie będą

powstawać, bowiem nie będą poja-

wiały się sygnały, które mogłyby je

pobudzać. W takiej sytuacji tunel

może mieć długość nawet metra, bo-

wiem półfalowy rezonans przypada

w nim na ok. 170 Hz. Jeżeli jednak

chcielibyśmy uniknąć rezonansów

piszczałkowych w obudowach głośni-

ków nisko-średniotonowych, wówczas

zakładając, że zakres ich pracy sięga

do ok. 3 kHz, tunel nie powinien

mieć więcej niż 6 cm – warunek

bardzo kłopotliwy, bowiem zwykle

z obliczeń, wraz z „przyzwoitą” po-

wierzchnią otworu, wynikają jednak

większe długości. Starajmy się wtedy

uniknąć następnego rezonansu, poja-

wiającego się wraz z ułożeniem się

w tunelu całej fali, która dla 3 kHz

ma długość ok. 12 cm. Często i to

jest trudne do spełnienia. Ostatecz-

nie jednak rezonanse pasożytnicze

w tunelach są uznawane za mniej

szkodliwe niż silna kompresja po-

wodowana przez zdecydowanie zbyt

małe otwory. Należy więc szukać

kompromisu. Czasami będzie się

on wiązał z lekkim przestrojeniem

obudowy w kierunku częstotliwo-

ści wyższych, co ułatwia założenie

większego otworu przy krótszym tu-

nelu, ale bez kontroli charakterystyk

za pomocą symulacji komputerowych

nie należy tym sposobem wykraczać

dalej niż o 15% wobec wartości

wynikających z obliczeń. Trudności

w realizacji otworu i tunelu mogą

też być powodem dokonania wyboru

określonego modelu strojenia, który

okaże się pod tym względem naj-

mniej wymagający.

Liczba otworów

Jedną z płonnych nadziei roz-

wiązania tych problemów jest kon-

cepcja stosowania większej liczby

mniejszych otworów, które jakoby

pozwolą „oszukać” obudowę – gdy-

by liczyć dostrojenie każdego otwo-

ru z tunelem oddzielnie, a potem

dowolnie zwiększać ich liczbę dla

Elektronika Praktyczna 10/2004

K U R S

Rys. 46. Zamiast jednego otworu, można zastosować kilka mniejszych,

i ewentualnie zróżnicować długość ich tuneli, co pomoże rozproszyć czę-

stotliwości rezonansów pasożytniczych, ale nie pozwoli uzyskać z jednej

obudowy różnych częstotliwości rezonansowych bas-refleks

nek tunelu, częstotliwość rezonanso-

wą tak konstruowanego bas-reﬂeksu

trudno jest obliczyć i bezwzględnie

należy przeprowadzić pomiary. Jed-

nocześnie korygowanie długości tu-

nelu zbudowanego w takiej postaci

jest trudniejsze niż w przypadku

tuneli okrągłych, gdzie otwory ku-

pione jako gotowe elementy możemy

z łatwością wyjmować i wymieniać

(ewentualnie nasadzać na nie prze-

dłużenia). Zalety otworów okrągłych

spowodowały właśnie, że obec-

nie dostępny jest bardzo duży ich

asortyment, o różnych średnicach,

długościach, sposobach mocowania

i wyproﬁlowaniach. Wyproﬁlowanie

wylotu w postaci zaokrąglenia kra-

wędzi stało się modne ok. dziesięciu

lat temu, a obecnie jest w zasadzie

obowiązkowe. Istotnie, wyproﬁlowa-

nie takie jest korzystne nie tylko

estetycznie i teoretycznie – znacznie

zmniejsza turbulencje, jakie powsta-

ją na krawędziach, ale warto za-

dbać o to, aby zostało wykonane na

obydwu końcach tunelu ( rys. 47 ).

Wykonanie ładnego wyproﬁlowania

własnym sumptem przy otworze in-

nym niż okrągły w warunkach ama-

torskich nie będzie łatwe. Natomiast

spotykane czasami lekko stożkowe

przekroje tuneli („wylot” ma po-

wierzchnię o kilkadziesiąt procent

większą niż „wlot”), mające zapo-

biegać powstawaniu wcześniej oma-

wianych rezonansów piszczałkowych,

nie są skuteczne, chociaż żadnej

szkody nie przynoszą.

Ostatecznie stosowanie otworów

innych niż okrągłe powinno być kon-

kretnie umotywowane; w standardo-

wym przypadku otwory okrągłe będą

najlepsze i najwygodniejsze. Otwory

prostokątne, z tunelami ukształtowa-

nymi jak krótkie labirynty (biegnące

wzdłuż dolnej ścianki, a z tyłu za-

ginające się do góry wzdłuż tylnej)

ułatwiają uzyskanie długich tuneli,

ale jak wspomniano, są trudne do

obliczenia ( rys. 48 ).

Andrzej Kisiel

zwiększenia całkowitej powierzchni...

Oczywiście obudowa oszukać się nie

da, „widzi” ona od razu całkowi-

tą powierzchnię otworów i do niej

„dostosowuje” swoją podatność. Tak

samo nie można bez konsekwencji

zainstalować kilku głośników w obu-

dowie, której objętość została poli-

czona dla jednego. Inny nieskutecz-

ny pomysł polega na zastosowaniu

kilku otworów w celu uzyskania kil-

ku różnych częstotliwości rezonan-

sowych z jednej obudowy – otwo-

ry mają więc różną średnicę, albo

choćby różnej długości tunele, co

miałoby każdy z nich dostrajać do

innej częstotliwości rezonansowej,

a korzyść z tego płynąca miałaby

polegać na osiągnięciu równomier-

niejszej charakterystyki przetwarza-

nia (tak jakby z dobrze dostrojonego

pojedynczego bas-reﬂeksu nie można

było tego uzyskać). Tutaj błąd w ro-

zumowaniu jest podobny – powstaje

bowiem jeden układ rezonansowy,

o podatności określonej przez obję-

tość obudowy i sumę powierzchni

otworów, i masie drgającej będącej

sumą mas powietrza we wszystkich

otworach ( rys. 46 ).

Zastosowanie kilku mniejszych

otworów zamiast jednego dużego nie

jest jednak błędem i w niektórych

sytuacjach może przynieść pewne

korzyści. Zanegowaliśmy możliwość

uzyskania tą drogą różnych czę-

stotliwości rezonansowych systemu

bas-reﬂeks, ale przy różnej długo-

ści tunelach jak najbardziej możli-

we jest przecież uzyskanie różnych

częstotliwości rezonansów piszczał-

kowych, czyli ostatecznie ich roz-

proszenie, co jest korzystne. Obli-

czenie systemu zawierającego kilka

otworów o takiej samej powierzchni,

ale z tunelami o różnej długości,

jest bardzo łatwe – w obliczeniach

uwzględniamy całkowitą powierzch-

nię otworów i średnią arytmetyczną

długości tuneli.

Stosowanie kilku mniejszych

otworów może być też czasem po-

dyktowane miejscem, jakie mamy do

dyspozycji, zwłaszcza w przypadku

małych konstrukcji podstawkowych,

gdy otwór (otwory) chcemy wypro-

wadzić na przedniej ściance.

Rzeczywistym i radykalnym roz-

wiązaniem omawianego wcześniej

problemu kłopotliwie długiego tune-

lu, lub niekorzystnie małego otworu

dla uzyskania określonej częstotliwo-

ści rezonansowej, jest zastosowanie

membrany biernej, którą zajmiemy

się później.

Kształt otworu

Najczęściej spotykane są otwo-

ry okrągłe. Ich podstawową zaletą

akustyczną jest najlepszy stosunek

powierzchni do obwodu, co ozna-

cza, że możliwie najmniejsza część

przepływającego powietrza znajduje

się w pobliżu ścianek otworu, gdzie

powstają szumy i turbulencje. Do-

puszczalne są jednak i inne kształty

otworów, chociaż w przypadku otwo-

rów o kształcie szczelin, ze względu

na trudną do obliczenia masę po-

wietrza „przyklejającego” się do ścia-

Rys. 47. Na ostrych krawędziach

otworu powstają szumy turbulencyj-

ne, wyprofilowania na obydwu koń-

cach tunelu pozwalają znacząco

zredukować to zjawisko

Rys. 48. Najbardziej rozpowszechniony jest otwór okrągły, łatwy do obli-

czenia i ułatwiający eksperymenty z dostrojeniem poprzez wymianę tuneli.

Otwór prostokątny, wykonany jako szczelina bezpośrednio przy dolnej

ściance obudowy, ułatwia ukształtowanie długiego tunelu – labiryntu

Elektronika Praktyczna 10/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: