o knjizi

akustika prostorija

zvučnici

pojačala

spojni kabeli

mjerenja

pitanja i odgovori

Links

Site Map

Studio monitor

Mehanička konstrukcija zvučničkih kutija

Transmission Line, Band Pass & Isobaric Configuration

Popis 500 Top-End zvučnika

zvučnici

Kavitacije membrana

Konstrukcije dipolnih zvučnika

Kompresione kutije

Preporučljivi zvučnici za izradu High End kutija

Linkovi o akustici prostorija

 

TRANSMISION LINE, BAND PASS I ISOBARIC KONFIGURACIJA

UVOD

Izbor zvučničke konfiguracije

Ako posjedujemo neki elektrodinamički zvučnik i želimo napraviti zvučničku kutiju, karakteristike zvučnika pomoći će nam pri određivanju konfiguracije sustava. Izbor zvučničke konfiguracije je odluka projektanta koji usklađuje parametre elektrodinamičkog zvučnika kojeg posjeduje sa željenim karakteristikama zvučničkog sustava. Tako npr. posjedujemo li zvučnik koji ima malu visinu zavojnice, nižu elastičnosti ovjesa, nešto nižu ukupnu pokretnu masu sustava, niži ukupni Q faktora (između 0.2 i 0.5), a visoku vrijednost Vas vrlo je vjerojatno da ćemo ga ugraditi u veću, potpuno zatvorenu kutiju ili bas refleks kutiju. Imamo li zvučnik s vrlo velikim hodom membrane, vrlo visokom elastičnošću ovjesa, relativno većom masom membrane, niskom rezonancijom, ukupnim Q faktorom većim od 0.3, a s niskom vrijednosti Vas, očito je da ćemo taj zvučnik ugraditi u manju, potpuno zatvorenu kutiju. Međutim, osim bas refleksa i potpuno zatvorene kutije stoje nam na raspolaganju još neke manje korištene, rekli bi smo egzotične konfiguracije. To su tzv. prijenosna linija (Transmision Line), pojasni zvučnik (Band Pass) i izobarična (isobaric) konfiguracija. U ovom članku opisat ćemo osnovne karakteristike spomenutih konfiguracija i prikazat ćemo neke programe kojima se mogu analizirati spomenuti tipovi zvučnika.

TL SUSTAVI

Zvučnici tipa Transmision Line prvi put su opisani i patentirani 1960. godine. Projektiraju se u cilju snižavanja odziva na niskim frekvencijama s zadanim zvučnikom u odnosu na druge konfiguracije. Pored toga, cilj je i postizanje nižih iznosa izobličenja, ujednačene kakvoće reprodukcije bez obzira na glasnoću, a moguće je postići i više razine zvučnog tlaka.

Da bi razumjeli osnovni princip transmisijske linije (za početak bez mnogo matematike), prvo moramo najelementarnije shvatiti bit projektiranja zvučničkog sustava. Svaki element zvučničkog sustava (zvučnik, kutija i bas refleks otvor) imaju svoju rezonancijsku frekvenciju. Projektant ove tri rezonancije postavlja u poseban odnos. Pri optimalnom odnosu ove rezonancije međusobno djeluju na taj način da rezultiraju zajedničkom rezonancijom zvučničkog sustava. Međutim, svaka rezonancija uvijek rezultira tzv. valovanjem odziva - frekvencijski odziv je neravnomjeran i ograničen po pitanju maksimalnog tlaka i donje granične frekvencije. U profesionalnoj tehnici ti nedostaci se kompenziraju ugradnjom zvučničkih sustava npr. u zid. Vidi nekoliko završnih poglavlja u članku:

osnovez.htm

Transmisijska linija jedno je od mogućih rješenja ovog problema na drugi način. Krajnji cilj transmisijske linije je snižavanje Q faktora rezonancije sustava. Svako snižavanje Q faktora vodi na širenje frekvencijskog pojasa. Posljedica ovog postupka je širenje frekvencijskog odziva oko rezonancijske frekvencije. Dakle, zvučnik zahvaća dublje u najniže frekvencije, a na drugoj strani ravnomjernije prijelazi na srednje frekvencije. Zrak u cijevi (koja se konstantno sužava) iza zvučnika predstavlja mehaničku impedanciju koja guši pomake membrane. Na taj način upravlja se kretanjem (pomakom) membrane kao i prirodnom rezonancijom sustava. Ispuna, cijevi guši sve unutarnje refleksije i eventualne rezonancije. Međutim, ravnu cijev pozadi zvučnike nemoguće je napraviti u dužini 3-5 metara pa se ona redovito nekoliko puta “prelama” ili “savija”. Odatle i drugo ime sustava - LABIRINT. (Interesantno je primijetiti kako neki visokotonski i srednjetonski zvučnici koriste ovaj trik; npr. B&W). Završetak sužavajuće cijevi može se i “vratiti” na prednju ploču na otvor koji na najnižim frekvencijama emitira zvučni tlak.

Druga prednost Labirinta je sto se povratni zvučni val ne reflektira od stražnje stjenke zvučničke kutije pa transmisijska linija ujedno ima neke od prednosti planarnih zvučnika - izraženu čistoću. Prema Small-u prikladnost zvučnika za Transmission Line moze se odrediti iz tzv. EBP (Efficiency Bandwidth Product) tj. omjera fs/Qt. Ako je kvocijent fs/Qt promatranog zvučnika manji od 50 - zvučnik bi trebao biti prikladan za Transmission Line konfiguraciju. Međutim, ovoga se ne treba uvijek kruto pridržavati.

Evo i jednostavnog recepta za kucnu izradu TL linije... Osnovni problem je kako sužavati cijev sustava? Razni autori daju razne omjere sužavanja cijevi. Neki zastupaju mišljenje kako je potreban što manji odnos površina na početku i kraju cijevi. Cijev na kraju ne mora biti otvorena, nego može biti i potpuno zatvorena. Za ilustraciju pogledajmo jednu potpuno zatvorenu cijev prema firmi B&W http://www.bwspeakers.com

Potpuno zatvoreni labirint zvučnika Nautilus - iz dokumentacije

Evo nekih autora i njihovih preporučenih omjera, kao i omjera površine otvora - prema površini na kraju cijevi:

Autor

omjer

otvor na kraju cijevi

Atkinson

1.4

0.6

Bailey

1.35

0.6

Dickanson

1.25-2.5

1

Radford

1.66

0.75

Rogers

1.5

0.68

Sanders

1.25

1

Seaford

1.1-1.5

1

Weems

1.5-2

1

 

Postupak projektiranja je ono što bi smo rekli “od oka puta p , a sastoji se u slijedećem:

1. dužina prijenosne linije treba biti otprilike 1/4 valne dužine na rezonancijskoj frekvenciji Fs, a to ujedno određuje frekvenciju pri kojoj će odziv biti -3 dB.

2. projektom smanjujte površinu presjeka transmisijske linije od 1.25 - 2 puta na portu. Pri tome otvor porta može biti isti ili manji od završne površine cijevi od 0.75 do 0.6 puta.

3. Nakon izrade, ispunite liniju apsorpcijskim materijalom. Ako je naglašen bas - dodajte ispunu. Ako je bas slab - smanjite ispunu. Ispuna efektivno povećava duzinu linije jer se brzina zvuka snižava od 0.7 do 0.9 puta. (Problem je ovo znati unaprijed pri određivanju duzine prijenosne linije...)

To je sve. Vas TL sustav će raditi, ali nitko vam ne jamči ...kako?! Najčešće se ukrštava skretnicom prvog reda s visokotonskim zvučnikom. Za atenuaciju obvezno koristiti neinduktivne otpornike. Osobno sam analizirao ovako konstruirane zvučnike koji su mjerili ekstremno nisko (ispod 30 Hz) i vrlo linearno u bas dijelu opsega uz zavidnu kakvoću reprodukcije, ali tek nakon mukotrpnih podešavanja. Iskustvena je činjenica da princip TL zvučnika “ima nešto u sebi”.

Primjer proračuna TL sustava

Jednostavan i zanimljiv program za proračun Transmision Line konfiguracije je program CAAD danskog autora Nilsa Norbija i može se vrlo povoljno nabaviti. Jedna od njegovih brojnih opcija je i proračun Transmision Line konfiguracija. Na slici je prikazana jedan proračun zvučničke kutije tipa Transmision Line.

Proračun Transmision Line zvučnika programom CAAD

Ovdje je interesantno kako program CAAD ne može pokazati frekvencijski odziv projektirane kutije, a program Transmision Line Model ne može pokazati konstrukciju kutije; to je razlog zašto ih je dobro koristiti zajedno.

Drugi relativno jednostavan, ali vrlo dobar shareware program za konstrukciju Transmision Line zvučničkog sustava. Autor programa je Robert Bullock sa Sveučilišta u Miamiju, a program se zove TRANSMISSION-LINE MODEL. Taj program za izračunavanje odziva sustava sa malim signalom, ulazne impedancije i maksimalnog ulaznog napona koristi model transmision line zvučnika prema Bradbury-jevom modelu opisanom 1976 u JAES. Program analizira izlazne veličine i usklađuje ih s opisanim modelom. Slaganje s modelom je razumno za praktičnu konstrukciju zvučnika ali ne i teoretski potpuno točno.

Da bi izračunali konstrukciju zvučnika ovim programom potrebno je poznavati parametre primijenjenog zvučnika, dužinu linije i fizičke karakteristike primijenjenog materijala ispune. To su promjer niti u metrima, gustoću materijala ispune u m3 kao i gustoću ispune linije. Nadalje potrebno je definirati gustoću zraka r o i izotermičku brzinu zvuka u prijenosnoj liniji. Ovdje je dobro postaviti vrijednosti 1.18 i 291 m/s. Program ne omogućava promjenu parametara pri računu, nego po završetku, ako nismo zadovoljni postignutim vrijednostima, program je potrebno iznova pokrenuti. Na slici je prikazan postupak proračuna frekvencijskog odziva.

Proračun frekvencijskog odziva Transmision Line zvučnika programom Transmision Line model

Ako vas jednostavnost i (ne)točnost navedenih programa ne zadovoljava, a želite detaljnu matematičku analizu modela Labirinta, temeljenu na detaljnom poznavanju svojstava poroznih akustičkih materijala, preporučio bih vam članak “Derivation and Correlation of a Viscous Damping Model Used in the Design of a Transmission Line Loudspeaker System”, autor dr. Martin King, kao i njegov MathCad model analize. Ovim pristupom moguće je s najvišom točnošću odrediti karakteristike modela Transmision Line konfiguracije. Međutim pristup je izuzetno složen i prelazi razinu ovog članka. Više o svojstvima akustičkih materijala str. 68 - 70 u knjizi AKUSTIKA PROSTORIJA

BAND PASS REFLEKSNA KONFIGURACIJA

Sve poznate konstrukcije zvučnika omogučavaju određivanje samo donje odrezne frekvencije zvučnika. Tzv. BAND PASS refleksna kutija je jedini projekt zvučnika kojim se može upravljati gornjom i donjom odreznom frekvencijom zvučnika i odatle konstrukcija dobija i ime - BAND PASS dakle, pojasna kutija. Određivanje gornje i donje odrezne frekvencije zvučnika omoguceno je dvostrukom komorom koje u potpunosti “zatvaraju” zvučnik, tako da on nije vidljiv iz vani. Koristi li se više od jednog zvučnika moguće je imati i trostruku ili višestruku konstrukciju band pass kutije. Dakle, kad vidimo zvučnu kutiju, a ne vidimo nigdje zvučnik (osim možda kroz bas refleks otvor) možemo biti sigurni da je riječ o BAND PASS konstrukciji. Uski korisni frekvencijski pojas razlog je zbog kojeg se pojasni zvučnik koristi isključivo za najniže frekvencije bilo kao samostalni subwoofer bilo kao dio sustava.

Prva komora, zapremnine V1, odreduje donju odreznu frekvenciju. To moze bit kompresijska kutija ili bas refleks kutija. Ako je rijec o kompresijskoj kutiji odziv band pass sustava je simetričan 4 reda. Ako je riječ o refleksnoj kutiji odziv band pass sustava bit će nesimetričan 6. reda.

Druga kutija, s zapremninom V2, određuje gornju odreznu frekvenciju i redovito je bas refleks tipa. Firma BOSE ima patent koja zaštićuje BAND PASS konstrukciju koja bas refleks otvorom povezuje obje kutije sustava sa vanjskim zrakom.

Ako pažljivim mjerenjem analiziramo odziv svakog BP sustava sigurno ćemo jasno zamijetiti jedan vrh koji nastaje uslijed “efekta orgulja” u bas refleks otvoru i koji se redovito treba poništiti tzv. “notch” filterom. Lokacija ovog vrha je otprilike jednu oktavu iznad gornje odrezne frekvencije Band Pass konfiguracije.

U praktičnom radu uvijek je dobro bas refleks cijev odrezati 20% dužu, kako bi se nakon finog podešavanja zvučnik lako i točno ugodio eventualnim kraćenjem cijevi. Neki programi pri proračunu bas refleks kanala definiraju i tzv. Mach broj brzine zraka u bas refleks cijevi. 1 Mach, označava brzinu zraka u bas refleks cijevi koja je jednaka brzini zvuka. Vrlo je važno da brzina zraka u bas refleks cijevi bude 5 puta manja od brzine zvuka – dakle maksimalna vrijednost treba biti 0.2 Macha. Ako je vrijednost veća od 0.2, u cijevi će se čuti šum tzv. vjetra bas refleks cijevi, a moguć je nastanak i drugih čujnih fenomena, kao što je npr. zviždanje zraka pri prolasku. Pri projektiranju BP sustava postoje mnoge poteškoće. Postupak se svodi na pokušaj i pogrešku čak i kad imamo dobar kompjuterski program. Ti problemi posebno su izraženi sa sustavima 6. reda. Međutim, danas je moguće pravim programima postići vrhunske rezultate.

Potrebni parametri pri projektiranju su:

  • ispuna zvučnika; potrebno je poznavati karakteristiku apsorpcijskog materijala kojim se BP sustav ispunjava
  • V1; potrebno je poznavati zapremninu kutije koja određuje donju odreznu frekvenciju. Svaka promjena zapremnine kutije V1 odrazit će se na donju i gornju odreznu frekvenciju sustava.
  • f1b; potrebno je poznavati rezonanciju kutije V1
  • V2; je zapremnina kutije koja primarno određuje gornju odreznu frekvenciju sustava, ali djeluje i na donju.
  • f2b; je frekvencija prilagođenja kutije koja određuje gornju odreznu frekvenciju zvučnika
  • d; je faktor prigušenja sustava, a vrijednosti su mu od 0.4 do 0.7. Što je faktor prigušenja niži, to je korisni frekvencijski pojas širi. a istovremeno odziv na impuls lošiji.
  • Q‘t; je ukupni Q faktor ovjesa zvučnika s optrečenjem stražnje kutije BP sustava. Kreće se od 1.0 do 0.4.
  • V1/V2; je omjer zapremnina obje kutije BP sustava; može biti 1:1 ili nešto veći ili manji...
  • f2b/f1b; je omjer frekvencija prilagođenja i mora biti uvijek veći od 1:1 jer je gornja frekvencija prilagođenja sustava uvijek viša od donje...

Prednost BP sustava su u tome što dobar projekt uključuje točno određjivanje gornje i donje odrezne frekvencije, a posebno je značajno sto se u BP projektu mogu koristiti zvučnici s vrlo visokim Q faktorom. Visoki Q faktor znači mali magnet, a mali magnet znači - jeftini zvučnik. Dakle u BP sustave odlično idu slabiji zvučnici, međutim sa takvim zvučnicima u promatranom frekvencijskom području BP sustava realizirati će manja izobličenja nego drugi bas refleks tipovi zvučnika. Uzrok tome je sto će konstrukcija sustava izfiltrirati produkte izobličenja na visim frekvencijama. Pored toga moguće je realizirati više efikasnosti i nije potrebna niskofrekvencijska skretnica.

Mane: u prvom redu, to je rezonancija bas refleks otvora na gornjoj odreznoj frekvenciji. Nadalje to su složenost sustava (lakše nastaju greške) i zbog ograničenog frekvencijskog pojasa rada najčešće se upotrebljavaju pri vrlo skupim 3 i 4 pojasnim zvučničkim sustavima. BAND PASS sustavi su najsloženiji sustavi za konstrukciju.

Pri konstrukciji BP sustava odlučujući je izbor zvučnika. BP sustav ekstremno je osjetljiv na Qts primijenjenog zvučnika. BP sustavi 4. reda najbolje funkcioniraju sa Qts od 0.4, a sustavi 6. reda sa zvučnicima čiji je Qts oko 0.5. Općenito vrijedi pravilo: što je viši Qts to je uže korisno radno područje. Međutim, nije lako izabrati zvučnik s niskim Qts jer će valovanje odziva pri odzivu na impuls biti ekstremno izraženo. Dobra stvar je što elastičnost zvučnika (Vas i Cms) nemaju skoro nikakvog utjecaja na projekt.

Najveća zamjerka BP sustavu je relativno visoko valovanje impulsnog odziva pri širem korisnom frekvencijskom području.

Mnogim programi za analizu i sintezu zvučničkih sustava omogućavaju projektiranje Band Pass sustava. Npr. već spomenuti jednostavni program CAAD autora Nilsa Norbija. Evo jednog primjera konstrukcije:

Primjer proračuna Band Pass sustava programom CAAD

IZOBARIČNA KONFIGURACIJA

Izobaričnu konfiguraciju tvore dva zvučnika koja su montirana na način pri kojem dijele zajedničku zračnu komoru između njih, tako da spomenuta komora nije otvorena prema vani ni prema unutar zvučničke kutije. Zračni tlak između primijenjenih zvučnika unutar komore se pri radu sustava nikad ne mijenja – on je izobaričan, jer membrane zvučnika uvijek imaju usklađen pomak.

U principu se izobarična konfiguracija zvučnika može realizirati s dvije različite postave zvučnika (u tri varijante) koje su prikazane na slijedećoj slici.

Načini postave isobaric konfiguracije zvučnika: a i b) protutaktno, c) standardno

Na slici c) oba bas zvučnika su spojena u paraleli, a na slikama a i b) su bas zvučnici postavljeni u protutaktnoj konfiguraciji. Prednje ili stražnje strane bas zvučnika “gledaju” direktno jedan prema drugom, ali električno spajanje izvršeno je antiparalelno. Pri antiparalelnom spajanju, spajamo oba zvučnika u paralelu ali s obrnutom fazom. Oba načina spajanja prepolove ekvivalentnu zapremninu Vas, svakog pojedinog zvučnika, ali zbog primjene dvaju zvučnika ukupni Vas oba primijenjena zvučnika jednak je Vas svakog pojedinog zvučnika. Drugim riječima, primijenimo li izobaričnu konfiguraciju, ukupna zapremnina zvučnika bit će dvostruko manja.

Zadržat ćemo se još malo na protutaktnoj konfiguraciji sa slike a i b). Pri pobudi ove konfiguracije s istim signalom membrane zvučnika pomiču se u suprotim smjerovima, ali zbog nasuprotne fizičke postave ukupno kretanje je usklađeno. Zbog toga će nasuprotna kretanja membrana poništavati nastala nelinearna izobličenja konusne membrane.

Primjeri isobaric konfiguracija

Isobarična konfiguracija može se primijeniti na bilo koju konfiguraciju zvučničkog sustava potpuno zatvorenu kutiju, bas refleks, band pass itd. Dat ćemo zato neke opće napomene, ali ćemo se najviše zadržati na Band pass konfiguraciji.

Uobičajena bas refleks konfiguracija a) s izobaric zvučnikom upotrebljava drugi zvučnik montiran nasuprotno prvom zvučniku koji je u kutiji. S mehaničke strane konstrukcije ovdje je najvažnije postići dovoljnu udaljenost među zvučnicima, tako da im se ovjesi ne dodiruju. U praktičnom radu to se najlakše postiže montiranjem svakog zvučnika sa unutrašnje i vanjske strane prednje ploče. Debljina prednje ploče koristi se kao razmaknica zvučnika. Polaritet drugog zvučnika se obrne pri spajanju tako da oba zvučnika pomiču membrane usklađeno. Ovo je protutaktni način rada pri kojem dolazi do poništavanju nelinearnih izobličenja.

Alternativna metoda prikazana je na slici b). Prednja zapremnina treba biti što je moguće manja, ali pri tome membrana stražnjeg zvučnika pri maksimalnom pomaku ne smije dotaknuti magnet prednjeg. Ovdje je vrlo važno uočiti bas refleks kanal koji mora proći kroz srednje pregradu kako bi dosegao vanjsku plohu. Ono što je najvažnije je spriječiti bilo kakva dušenja oko bas refleks cijevi pri prolazu kroz srednju pregradu. U ovim primjerima oba zvučnika povezana su u paraleli istofazno, tako da ne dolazi do poništenja nelinearnih izobličenja jer se ne koriste prednosti protutaktne konfiguracije.

Izobaričnu konfiguraciju može se koristiti na još dva načina. U oba se koristi kratka cijev koja povezuje oba zvučnika. Ako se odlučite na ovu konstrukciju zapamtite da se u prvom primjeru c), zvučnici spajaju istim polaritetom, a u drugom primjeru d), riječ je ponovno o protutaktnoj konfiguraciji koja poništava nelinearna izobličenja. Ovdje treba pripaziti da se uzme u obzir unutrašnja zapremnina koju zauzimaju bas refleks cijev i drugi zvučnik. Za taj iznos potrebno je povećati unutrašnje dimenzije zapremnine kutije.

Kao ilustraciju pokazat ćemo analizu jednostavnim programom Speaker Box Design.

Analiza bandpass subwoofera s dvije komore u isobaric konfiguraciji

Od programa za profesionalnu primjenu zanimljiv je program Speakershop kojim ćemo primjenom JBL zvučnika GT152D konstruirati band pas subwoofer s tri komore, a primijenjene zvučnike ćemo postaviti u isobaric konfiguraciji.

Normalizirani amplitudni odziv i amplitudni odziv pri 2.83V , fazni odziv i grupno kašnjenje profesionalnog subwoofera u isobaric band pass konfiguraciji s tri komore 6. reda s dvostrukim bas refleks kanalima

| Home Hr | Site Map Hr | English | Contact Us |