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無線電子工学および電気工学の百科事典 車の低音: 非標準的なソリューション。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
車のスピーカーシステムで効果的に再生される周波数の帯域幅を最小限のコストで拡大するにはどうすればよいでしょうか?カーオーディオコンテストに何度も参加し、たゆまぬ実験家である著者は、使用可能な音量を大幅に減らすことなく、スピーカーシステムの「低音」を顕著に向上させる独自の設計ソリューションを（計算式を適用して）提供します。トランク。 自動車にスピーカー システムを構築する場合に生じる主な問題は、低域の再生が弱くなることです。既製または自家製のサブウーファーは、「低音」の問題に対する最も根本的な解決策です。しかし、箱型のボディはトランク内で多くのスペースを占め、車の複雑な曲面を再現する組み込み構造は製造に非常に手間がかかります。 したがって、フレームレスサブウーファーは、固有の欠点にもかかわらず、依然として人気があります。ソリューションのシンプルさも重要な役割を果たします。リアパーセルシェルフ内のフリーエア設計にスピーカー（ドライバー向け - ダイナミックヘッドの同義語）を取り付けるために、特別な資格は必要ありません。ただし、この方法は、トランクがパーティションによって客室から分離されている「本物の」セダンにのみ適しています。そうしないと、この音響設計の密閉性は非常に条件付きになり、低周波数の再生が劣化します。さらに、リア ウィンドウ シェルフの寸法によってダイナミック ヘッドの最大サイズが制限されるため、ほとんどの一般的な車両では 6,5 ～ 8 インチの丸型ヘッドまたは 6x9 (7x10) インチの楕円形ヘッドが制限となります。 ハッチバックではこの問題は存在せず、15 インチのサブウーファー ヘッドを後部のパーセル シェルフに簡単に配置できます。しかし、問題はそう簡単に解決できるものではありません。薄っぺらなリアパーセルシェルフはそれほど悪くはありませんが、本当の問題は、トランクの容積を客室から分離するのが非常に難しいことです。結果として、この解決策は利点よりも多くの問題を引き起こします。棚と荷物室の側面および後部座席の背面との接合部を密閉するのは非現実的です。この場合の音響設計は、もはや「条件付き密閉」ボックスではなく、音響スクリーンです。その結果、漏れ損失が大型ディフューザーの利点をすべて「食いつぶして」しまいます。入力電力を増やしたり、周波数応答を修正したりしても、状況は改善されません。 幸いなことに、損失が大きくなるのは、周波数が 50 Hz 未満の高電力入力の場合のみです。体幹容積が増加するにつれて減少します（圧力変化の程度が減少します）。励起体積の小さい（コーン面積が小さく、ストロークが小さい）スピーカーを使用すると、損失をさらに減らすことができます。ただし、効率が低いため、このパスは重要ではありません。 この問題は、音響設計の種類を変更することで解決できます。ハッチバックの場合、スピーカーを取り付けるためのリアシェルフは少なくとも強化する必要があり、せいぜい新しく作る必要があるため、設計が多少複雑になっても、それほど大きな欠点にはなりません。次に、自動車の低周波ヘッドの音響設計のための 1,2 つのオプションが提案され、実際に繰り返しテストされています [XNUMX]。 ストリップラウドスピーカー 最大効率の観点からは、バンドパススピーカー (バンドパス) を使用するのが最も有益です。まず、このタイプの音響設計では、通過帯域外の信号は再生されません。したがって、サブウーファーの周波数応答を形成する信号経路内で電気フィルターを使用することは、厳密には必要ありません。第二に、バンドパススピーカーの効率は他のタイプの音響設計よりも大幅に高いため、比較的低出力のアンプの使用が可能になります。これらの状況を総合すると、サブウーファーをヘッド ユニット (ラジオ テープ レコーダー) から直接操作することが可能になります。これは、追加のアンプを設置したくない人にとって特に魅力的です。 私たちの目的には、密閉チャンバーと共鳴チャンバーの 1 つのチャンバーで構成され、それらの間の隔壁にダイナミック ヘッドが取り付けられた XNUMX 次システムが特に便利です。トランクを密閉室として使用し、棚をバスレフを備えた共鳴室にします（図XNUMX）。
逆のオプションも可能ですが、漏れの可能性と、特にトランクの可変容積（充填物によって異なります）が、共鳴室の設定に与える影響が共鳴室の設定よりもはるかに大きく影響するため、実装は簡単ではありません。クローズドの設定。そして、計算に必要なトランク容積の正確な値を見つけることはほとんど不可能です - 1リットルの精度でそれを提供する自動車メーカーは1つもありません。最後に、シミュレーション結果によれば、このオプションの効率は著しく低くなります。 バンドパスにより、スピーカー システムの周波数応答を柔軟に制御できます。主な特性は共鳴チャンバーによって決定され、密閉チャンバーの容積はヘッドの共鳴周波数と品質係数を調整するツールと考えることができます。ただし、私たちの場合、特定の制限が適用されます。つまり、一部の設計パラメータは「客観的な現実」であり、任意に変更することはできません。したがって、このバージョンでは音響設計のための密閉室の役割を果たすトランクの容積は、通常少なくとも300リットルであり、それを変更することは困難です。幸いなことに、ヘッドパラメータを適切に選択すると、周波数応答に対する密閉チャンバーの容積の影響を最小限に抑えることができます。 JBL Speaker Shop プログラムを使用してさまざまなオプションをモデリングすることで、パラメーターの主な比率を決定することができました (図 2)。
提案された設計では、共鳴室の容積とバスレフポートの寸法は十分に許容可能です。等価体積に対して共鳴室の体積を増やすと通過帯域が狭くなり、共鳴室の体積を減らすと帯域が広がりますが、周波数応答は双峰になります。トランクの実際の容積と共鳴チャンバーの利用可能な容積を考慮すると、次のパラメータを持つダイナミック ヘッドがこの設計に最適です。総品質係数 Qts = 0,7...1,0。等価体積 Vas = 10...60 l;固有共振周波数 Fb = 40...60 Hz。 これらの条件は、「真面目な」講演者だけでなく、ほとんどの「パンケーキ」も満たしています。 「同じトランク内の」スピーカーをモデル化した結果を図に示します。 3.
ここで、50 Hz 未満の周波数範囲で指定されたパラメーターを持つダイナミック ドライバーを備えたバンドパス システムの効率は、密閉ケースの効率よりも著しく高いことがわかります (少なくとも理論的には)。 -3 dB の密閉エンクロージャのカットオフ周波数はわずか 42 Hz ですが、バンドパス スピーカーのカットオフ周波数は 27 Hz です。同時に、最低周波数（15...30 Hz）の領域では、同じ容積のハウジングで作られたバスレフよりもバンドパスが劣りますが、パスバンドの周波数応答は不均一になります。バスレフの方が高いです。確かに、このような音量のバスレフの場合、トランクを本来の目的に使用するのは非常に困難になります... 提案された設計を実際に実装することは難しくありません。典型的な強化棚を見てください (図 4)。
バンドパスにするには、密閉された共鳴室とバスレフだけが必要です。共鳴室の容積は一見印象深いように見えますが、視覚的にはそれほど大きくありません。パネル寸法 45x.1,1 m で計算された容積 55 リットルに対して、共鳴室の内部高さはわずか 7,5 cm です。壁の厚さを考慮すると、全体の高さは10 cm以下であり、幹の高さのそのような損失は痛みなく許容されます。 ほとんどのモデリング プログラムでは、通常は円形断面のみを使用してバスレフ ポートも計算されます。特殊なプログラムを使用せずにバスレフを計算するには、よく知られた公式 [3] を使用できます。
ここで、Fb は共振周波数 Hz です。 V、 - チャンバー容積、cm3; S、 - ポート面積、cm2; l - トンネルの長さ（パネルの厚さ）、cm; k - 穴のアスペクト比 製造技術の観点からは、パイプを使用せずにパネルに穴をあけてバスレフポートを作るのが最も都合がよい。穴のサイズを計算するのに便利な形式に式を変換する数学的変換がないため、逐次近似の方法を使用する方が簡単です。最初の近似として、穴の断面はディフューザー領域 (複数のスピーカーがある場合はディフューザーの合計領域) の 50 ～ 70% 以内に選択されます。次に、バスレフ同調周波数は、特定のパネルの厚さと共鳴室の容積に対して決定されます。その後、残っているのは、数回の繰り返しで穴の領域を調整し、結果を「フォーク」に合わせるだけです。 同調周波数を最終的に（増加的に）調整するには、穴の形状係数 k を使用するのが便利です。その値は 0,12 乗で非常にゆっくりと増加し、穴が長くなるにつれて、たとえ非常に長くても 1,4...1,6 を超えることはありません。細くて長いスリット（1:20...1:50）。すべての計算の結果、穴の面積がディフューザーの面積の 20% 未満であることが判明した場合は、ポートの深さを増やす価値があります。つまり、短いパイプまたは長いスロットを使用する価値があります。側"。パイプの内部カットから共鳴室の壁までの距離は、面積の平方根（分母のSの同じ根）に等しい「特性」サイズ以上でなければならないことに注意してください。 。この条件が満たされない場合は、「余分な」パイプをハウジングの外側で除去するか、共鳴室の形状を修正する必要があります。共鳴室の容積を増やし、シミュレーションから始めて計算を完全に繰り返すことは価値があるかもしれません。 例を挙げて説明しましょう。上記の計算に基づくスピーカーには、ディフューザー面積が約 25 cm380 の直径 2 cm のヘッドが使用されました。ポートは 50Hz に設定する必要があります。容積45リットル、パネル厚さ12mmのチャンバーの場合、面積300cm2の穴では104Hzのチューニングが得られますが、面積100cm2ではチューニング周波数は77Hzに低下します。ヘルツ。穴面積のさらなる減少は望ましくないため、ポートの深さを増加する必要があります。同じ面積 100 cm2、深さ 48 mm では、同調周波数はさらに低くなり、67 Hz になります。仕方なく穴の面積を74cm2（外径100mm、内径97mmのパイプ）に縮小し、深さを110mmに増やします。穴の面積はディフューザー面積の 19% で、同調周波数は正確に 50 Hz です。 結果は得られましたが、最善の方法ではありませんでした。ハウジングの内部の高さは 7,5 cm、パイプの特徴的なサイズは 8,6 cm であるため、すべてを共鳴室の外側に配置する必要があります。考慮された音響設計オプションの利点は、スピーカーの特性がラゲッジ コンパートメントの荷重 (容積の約半分まで) に実質的に依存しないことです。ただし、あらゆるタイプのヘッドでパイプなしでバスレフを実装することは不可能であり、これは一定の欠点です。後部の棚から突き出たパイプは、まさに前衛的な美しさです。しかし、芸術（そして音楽も）には犠牲が必要です... スピーカーの音響負荷（フラットレゾネーター） しかし、問題に反対側からアプローチする場合、つまり共鳴チャンバーを棚の上に移動する場合はどうなるでしょうか?当然のことながら、ダイナミック ヘッドは前述の要件、つまり 0,7 ～ 1 の範囲の完全な品質係数、適度に硬いサスペンション、低い主共振周波数を満たさなければなりません。 共鳴室の最も単純なバージョンは、ディフューザーのすぐ近くに配置された平面音響スクリーンです。スクリーンの下の空気の塊は、バスレフパイプ内と同じように動作し、振動します。そして、ポートの役割は、画面の周囲にあるスロットによって果たされます。最初の近似として、この設計はヘルムホルツ共鳴器の変形と考えることができ、計算には同じ式 (1) を使用できますが、「パイプなし」バージョンの場合は変形した形式になります。
ここで、Fb は共振周波数 Hz です。 Vc - チャンバー容積、cm。 Sb - ポート面積、cm2; k - 穴の形状係数 (k = 1-1,25)。 ただし、画面を計算する場合、右側のすべての量が相互に関連しているため、この形式の式は非常に不便です。さらに、特定のパラメータの影響の程度や方向さえも不明瞭です。そこで、画面の計算に便利な式を導き出しました（式の導出と分析は記事の最後にあります）。 画面領域の予備計算には、次の式を適用します。
ここで、S はスクリーン領域、cm2 です。 ご覧のとおり、式 (3) には画面領域のみが表示されます。残りのパラメータはどこに行ったのでしょうか?徹底的な分析の結果、チューニング周波数はスクリーンの形状と設置の高さにわずかに依存することがわかりました（チューニングは平均値の10％以内）。したがって、予備計算の場合は、分子の係数の値によってこれらのパラメータの平均値を考慮するだけで十分です。最終的な計算には、以下に示す正確な式 (4) を適用します。 120 Hz 未満の周波数の場合、棚の上のスクリーン面積が 1,2 m2 を超え、同調周波数のさらなる低減は車のサイズによって制限されることは簡単に計算できます。 正確な同調周波数は、式によって決定されます。
ここで、h はスクリーンの設置高さ (cm) です。 j - スクリーン形状係数、以下に等しい: 2,03 - 円形スクリーンの場合。 2,17 - 正方形の画面の場合。 2,25 - アスペクト比 2:1 の長方形画面の場合。 実験テストのために、IZH-0,99「Oda」車両の強化後部棚に 0,46x2126 m のスクリーンが設置されました。式 (3) を使用した計算のための設計同調周波数は 200 Hz に選択され、式 (4) - 215 Hz を使用して調整されました。調整と試聴の過程で、スクリーンを取り付けるのに最適な高さは 25 ～ 40 mm の範囲にあることが判明しました。この対策により、中低音域の周波数特性の「破綻」を解消し、使用するヘッドの共振ピーク特性を滑らかにすることができました。 他社車の場合は寸法が異なるため、棚部分のスケッチは用意しておりません。スクリーンは9mm厚合板を使用し、剛性を高めるためスクリーン下面に20×20mmのジュラルミンコーナーを設けています。スクリーンは、フランジ ナット付きの 5 本の長いボルトで棚に取り付けられており、取り付け高さを調整できます (図 XNUMX)。
このような設計がサブウーファーに代わることはできないことは明らかですが、最も安価なスピーカーであっても 200 Hz 未満の低周波数の再生は向上します。だからこそ、著者のアイデアは採用され、ロシアの多くの都市では、カーサービスセンターが一般的な自動車用の遮音音響棚の小規模生産を開始した。低周波数域の性能を向上させることに加えて、そのような棚にあるスピーカーが見えず、車が侵入者の注意を引かないことも消費者にとって重要です。ディフューザーを妨げずに上に何かを置くこともできます。 式 (3) および (4) の導出に関する説明とコメント 式 (1) の比較的大きな面積の位相反転器 (ポートの特性サイズがその深さよりもはるかに大きい場合) の場合、項 I はゼロとみなすことができます。
ここで、Fb は共振周波数 Hz です。 Vc - チャンバー容積、cm3; Sb - ポート面積、cm2; k は穴のアスペクト比です。 通常、文献では、この式は少し異なる形式 (2) で与えられます。ここで、k (次数なし!) は穴の形状係数と呼ばれ、その境界値は次のように与えられます: 丸穴と角穴の場合は 1、a の場合は 1,25長いスロット。これは計算の本質を変えるものではありません。境界値を示すことは実用的な目的には便利ですが、この係数の物理的な意味は隠蔽されます。従来のプレゼンテーションの計算式はフラットスクリーンの場合を全く考慮していないため、そのような構成における係数の値が参考書などにも記載されておらず、解析が複雑化している。元の出版物 [2] では、この状況が誤りと誤った結論の一因となっていました (実際、これについては読者の誰も深く掘り下げませんでした。理論より実践の方が説得力がありました)。 さらなる分析の便宜のために、スクリーン形状 i の「理想性」の係数を導入します。
ここで、P は画面の周囲です。S は画面の面積です。 円の場合は最小値で 3,54、正方形の場合は 4、アスペクト比 2:1 の長方形の場合は 4,24 に等しくなります。これ以上画面を長くするのは、レイアウト上も意味がありません。 画面領域の平方根は、その「特徴的な」サイズにすぎません。
この音響設計のポートは穴ではなく、スクリーンの下の空気ボリュームと周囲の空間との境界です。したがって、この「リング」ポートの面積は、スクリーンの周囲とその設置の高さの積になります。同時に、スクリーンの下の体積は、その面積と設置高さの積になります。ポートの面積をスクリーンの周囲長と設置高さ h で表し、カメラの体積をスクリーンの面積と同じ設置高さで表します。穴のアスペクト比は、高さに対する周囲の比率です。 「有効な」サイズと係数に進むと、次のようになります。
「特徴的な」サイズに式（6）を代入すると、最終的に得られます
画面の形状とサイズの影響 スクリーンの形状に応じて、式 (7) の分子は次の値になります。正方形の画面 - 2,03;拡張機能付き長方形スクリーン - 2,17:2 - 1。 したがって、同じ面積であれば、丸いスクリーンが最小の同調周波数を提供します。一般に、スクリーン形状の影響はわずかです。同じ面積の円から正方形に移動する場合、同調周波数は 7% しか増加しません。 設置高さの影響もわずかで、高さが 3 cm から 15 cm に変化すると、同調周波数は 7% 減少します。スクリーンの設置高さをさらに高くしても意味がありません。 画面領域が最も効果的な調整メカニズムであることが証明されています 設置高さと形状係数の平均値を代入すると、事前計算に便利な式が得られます。
どこで Fb - 共振周波数、Hz; S - 画面領域、cm2。 文学
著者: A. シハトフ、モスクワ
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