Приборкання резонансу

А.И.Шихатов

Опубликовано в журнале "Мастер 12вольт" № 68(октябрь 2005)

Кто мешает тебе выдумать порох непромокаемый?
К. Прутков.

Акустика - одна из таких прикладных дисциплин, где влияние резонанса особенно ощутимо. Поскольку низкочастотные динамические головки работают с заходом в область основного механического резонанса, работа динамической головки в этом диапазоне частот оказывает значительное влияние на характер звучания акустической системы в целом. Резонанс должен быть эффективно подавлен, в противном случае звучание будет сопровождаться нежелательными призвуками (гулом, "бубнением"). Причем при избыточной добротности готовой акустической системы подавить его невозможно даже при использовании современных усилителей с высоким демпинг-фактором. В этом случае можно перейти к акустическим методам демпфирования. 

В электроакустических преобразователях широко используются акустические колебательные системы, в которых отдельные элементы представляют собой газообразную среду. Полости, каналы и объемные резонаторы можно использовать для выделения или подавления определенного диапазона частот. Самый наглядный и самый распространенный пример акустического "усилителя" - фазоинвертор акустической системы, представляющий собой один из вариантов резонатора Гельмгольца (см. "Мастер 12 вольт" № 55 - март 2004). 

В каноническом виде резонатор Гельмгольца представляет собой сосуд сферической формы с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейся массой, а объем воздуха в сосуде играет роль упругого элемента. Основная часть кинетической энергии колебаний оказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная скорость частиц воздуха имеет наибольшую величину. Если резонатор Гельмгольца возбуждать снаружи, он становится режекторным (подавляющим) фильтром, поглощающим энергию внешних колебаний. Глубину режекции можно увеличить, увеличив потери в горле резонатора при помощи звукопоглощающего материала или уменьшив сечение горла.

В акустических системах первой отечественной стереофонической радиолы "Симфония" в качестве низкодобротного двухчастотного режекторного фильтра использовался резонатор Гельмгольца. Однако в конструкции современных акустических систем этот метод не применяется, поскольку динамические головки низкой добротности и высокая мощность усилителей позволяют обойтись без акустических изысков.

Тем не менее, и сегодня этот путь можно считать очень перспективным для использования высокодобротных динамических головок в корпусах небольшого объема. Это позволяет сохранить высокую чувствительность акустической системы и получить при этом гладкую АЧХ, что актуально именно для car audio. Немаловажно и то, что размеры резонатора малы в сравнении с длиной волны действующих на него колебаний. 

Собственная частота резонатора Гельмгольца равна:

где:

• F - частота, Гц;
• C0 - скорость звука в воздухе (340 м/с);
• S - сечение отверстия, м2;
• L - длина отверстия, м;
• V - объем резонатора, м3. 

Если выразить площадь отверстия через диаметр, раскрыть радикалы и сократить, получим выражение для определения диаметра отверстия:

Методика расчета предельно проста. Сначала задаемся некоторым объемом разумной величины и рассчитываем или измеряем частоту резонанса головки в закрытом корпусе этого объема. Затем рассчитываем на эту частоту резонатор Гельмгольца. Для расчета частоты резонанса головки можно воспользоваться известной формулой:

Для экспериментальной проверки был изготовлен макетный вариант АС, на котором была проверена методика расчета. Полученные результаты позволили реализовать совершенно фантастический проект установки "блинов" в корпусах объемом порядка 10 литров "брутто". Акустические системы установлены под передними сиденьями автомобиля Renault Kangoo, звучание отличается плотным и мягким басом.

В качестве исходного материала были выбраны низкочастотные головки Prology Iridium из трехполосного компонентного комплекта. Их параметры таковы:

• Vas=40 л
• Fs=40 Гц
• Qts=0,6

Доступный для установки объем 8 литров. По формуле (3) получаем Fc=97 Гц, Qtс=1,47. Для классического закрытого корпуса на редкость отвратительные характеристики, не так ли? Теперь настраиваем на эту частоту поглотительную камеру разумного объема. Для эффективного поглощения объем ее должен составлять от 10 до 30% объема основной камеры. Понятно, что чем выше добротность (и резонансный пик), тем больший объем нужен, но тут пока чистейшая эмпирика, готовой теории нет.

В качестве разумного компромисса между желаниями и возможностями был выбран объем поглотительной камеры 1 литр. Толщина перегородки 8 мм. По формуле (2) получаем диаметр отверстия 5,7 мм. Но одной "дырочки" совершенно недостаточно для пожирания серьезного резонанса, тут аппетит нужен побольше и количество отверстий необходимо увеличить. К сожалению, опять получается голая эмпирика. Из опыта изготовления панелей акустического сопротивления (ПАС, aperiodic membrane) известно, что суммарная площадь отверстий должна соответствовать площади диффузора. Во всяком случае, здравый смысл подсказывает, что эта площадь должна быть хотя бы порядка 10% от площади диффузора (для "блинов" 6х9 она порядка 250 кв.см.). В то же время отверстий не должно быть слишком много, иначе нарушатся условия работы резонатора.

Чтобы скомпенсировать неизбежные погрешности расчета и изготовления, разброс и изменение характеристик динамических головок со временем, резонатор выполнен двухчастотным. Частоты поглощения разнесены выше и ниже расчетной частоты резонанса таким образом, что их среднее геометрическое совпадает с ней. Для этого в перегородке выполнено 50 отверстий диаметром 5 мм и 30 отверстий диаметром 6,5 мм. Частоты настройки, соответственно, 85 Гц и 110 Гц (формула 1). Суммарная площадь отверстий составляет 20 кв.см. и распределена между отверстиями разного диаметра примерно поровну.

Корпус АС выполнен из традиционных материалов - фанеры и МДФ на эпоксидном клее. В средней части корпуса установлен подкрепляющий шпангоут. Для повышения жесткости верхней и нижней стенок в промежутках между шпангоутом и боковыми стенками вклеены пластины МДФ (паркет-ламинат), затем стенки залиты сплошным слоем эпоксидной смолы. Толщина стенок корпуса достигает 30 мм. Задняя стенка поглотительной камеры, верхний и нижний скосы выполнены из МДФ. К шпангоуту прикреплен кусок мягкого поролона, выполняющий функции звукопоглотителя, для подключения проводов на боковой стенке установлена чашка с пружинными контактами. Готовый корпус зашпаклеван, обработан шлифовальной машиной и окрашен антигравием серого цвета, лицевая панель покрыта декоративным алюминированным пластиком. Детали конструкции видны на фотографиях.

Материал взят с сайта www.bluesmobil.com/shikhman.

¬се статьи раздела ЂТеорія та практикаї