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无线电电子与电气工程百科全书 汽车低音：非标准解决方案。 无线电电子电气工程百科全书
如何以最低的成本扩展汽车扬声器系统中有效再现频率的带宽？ 作者是汽车音响比赛的多次参与者和孜孜不倦的实验者，他提供了原创的设计解决方案（通过计算公式的应用），该解决方案将在不显着减少有用音量的情况下显着改善扬声器系统的“低音”的树干。 在汽车中构建扬声器系统时出现的主要问题是低频范围的再现减弱。 现成的或自制的低音炮是解决“低音”问题的最根本的方法。 然而，箱形车身占用了后备箱很大的空间，而且重复汽车复杂曲面的内置结构制造起来非常费力。 因此，无箱低音炮尽管有其固有的缺点，但仍然很受欢迎。 解决方案的简单性也发挥着重要作用 - 为了在自由空气设计的后架上安装扬声器（对于驾车者来说 - 动态头的同义词），不需要特殊的资格。 然而，该方法仅适用于“真正的”轿车，其行李箱通过隔板与乘客室隔开。 否则，这种声学设计的严密性是非常有条件的，低频的再现性就会变差。 此外，后窗架尺寸限制了动态云台的最大尺寸，因此 6,5-8 英寸直径的圆形云台或 6x9 (7x10) 英寸的椭圆形云台是大多数常见车辆的限制。 掀背车则不存在这个问题；十五英寸的低音炮头可以轻松放置在后架上。 但要解决问题却并不那么容易。 脆弱的后货架并不是那么糟糕，真正的麻烦在于将后备箱容积与乘客舱隔离起来极其困难。 因此，这种解决方案的问题多于收益：将搁板与行李厢侧面和后座靠背的接缝密封是不现实的。 本案的声学设计不再是“有条件封闭”的盒子，而是声学屏。 结果，泄漏损失“吞噬”了大型扩散器的所有优点。 增加输入功率或校正频率响应并不能挽救局面。 幸运的是，只有在频率低于 50 Hz 的高输入功率下，损耗才会显着。 它们随着躯干体积的增加而减少（压力变化程度减小）。 通过使用驱动音量较小（较小的锥体面积和较小的冲程）的扬声器，可以进一步减少损耗。 然而，他们的效率很低，所以这条路没有什么意义。 这个问题可以通过改变声学设计的类型来解决。 由于在掀背车中，用于安装扬声器的后架至少仍然需要加强，并且最多需要重新制作，因此其设计的轻微复杂性并不是一个大缺点。 此外，还提出了汽车低频头声学设计的两种方案，并在实践中进行了反复测试[1,2]。 条形扬声器 从最大效率的角度来看，使用带通扬声器（bandpass）是最有利的。 首先，这种类型的声学设计不会再现带外信号。 因此，在形成低音炮频率响应的信号路径中使用电滤波器不再是严格强制的。 其次，带通扬声器的效率远高于其他类型的声学设计，这将允许使用相对低功率的放大器。 总之，这些情况使得低音炮可以直接从主机（收音机）工作。 这对于那些不想安装额外放大器的人来说尤其有吸引力。 就我们的目的而言，四阶系统特别方便，它由两个封闭且谐振的腔室组成，在其间的隔板上安装了动态头。 我们将使用后备箱作为封闭室，并将架子变成配备反相器的谐振室（图1）。
相反的情况也是可能的，但实现起来并不容易，因为可能的泄漏，特别是躯干的可变体积（取决于填充物）对谐振腔的调谐的影响比对谐振腔的设置的影响大得多。关闭了一个。 是的，几乎不可能找出计算所需的后备箱容积的准确值 - 没有一家汽车制造商能够提供高达一升的精确度。 最后，根据模拟结果，这种变体的效率明显较低。 带通允许您灵活地控制扬声器系统的频率响应。 主要特性由谐振腔决定，封闭腔的体积可以认为是调节磁头谐振频率和品质因数的工具。 然而，在我们的例子中，某些限制生效：一些设计参数是“客观现实”，不能随意改变。 因此，在这个版本中充当封闭声室的后备箱容积通常至少为300升，并且很难改变它。 幸运的是，通过适当选择头部参数，可以最大限度地减少封闭室体积对频率响应的影响。 通过 JBL Speaker Shop 程序对各种选项进行模拟，可以确定参数的主要比率（图 2）：
在所提出的设计中，谐振室的体积和反相器端口的尺寸是完全可以接受的。 谐振室体积相对于等效体积的增加使带宽变窄，谐振室体积的减小使频带扩大，但频率响应变成双峰。 考虑到主干的实际体积和谐振腔的可用体积，具有以下参数的动态磁头最适合这种设计：总品质因数 Qts = 0,7 ... 1,0； 当量体积 Vas = 10...60 l； 自然共振频率 Fb = 40...60 Hz。 这些条件不仅是“严肃”的演讲者满足，大多数“煎饼”也满足。 AU“同干线”的仿真结果如图3所示。 XNUMX.
从这里可以看出，具有动态磁头且在低于 50 Hz 的频率范围内具有指定参数的带通系统的效率明显高于封闭情况的效率（至少理论上如此）。 封闭外壳在 -3 dB 水平下的截止频率仅为 42 Hz，而对于带通扬声器而言，截止频率为 27 Hz。 同时，在最低频率区域（15 ... 30 Hz），带通性能低于在相同体积的外壳中制造的反相器 - 而相位通带中的频率响应不均匀逆变器更高。 确实，在如此体积的逆变器的情况下，将很难将主干用于其预期目的...... 所提出的设计的实际实施并不困难。 只要看一下典型的强化架子即可（图 4）。
为了变成带通，它只缺少一个密封谐振室和一个反相器。 尽管谐振腔的体积看似令人印象深刻，但它在视觉上并不大：以45升、面板尺寸为1,1x.55 m计算得出的体积，谐振腔的内部高度仅为7,5厘米！ 考虑到墙壁的厚度，总高度不超过10厘米，并且躯干高度的这种损失可以无痛地转移。 大多数建模程序还计算反相器端口，通常仅具有圆形横截面。要在不使用专门程序的情况下计算反相器，可以使用众所周知的公式[3]
式中Fb——共振频率，Hz； V，——腔室容积，cm3； S，——端口面积，cm2； l——隧道长度（面板厚度），cm； k——孔的纵横比 从制造技术的角度来看，以面板上开孔的形式制作逆变口最为方便，无需使用管道。 由于没有任何数学变换可以使公式形成便于计算孔尺寸的形式，因此使用逐次逼近的方法更容易。 在第一个近似中，孔的横截面选择在扩散器面积的 50 ... 70% 范围内（扩散器的总面积，如果有多个扬声器）。 然后，针对给定的面板厚度和谐振室的体积确定反相器的调谐频率。 然后只需进行几次迭代即可细化孔的面积并将结果驱动为“叉子”。 对于调谐频率的最终调整（在增加的方向），可以方便地使用孔形状系数k：其值的0,12次方增长非常缓慢，孔的伸长率不超过1,4... 1,6 即使对于非常窄和长的插槽 (1:20...1:50)。 如果所有计算的结果是，孔面积仍然小于扩散器面积的 20%，则值得增加端口的深度，即使用短管道或带有“侧面”的长槽。 ”。 在这种情况下，必须记住，从管道内切口到谐振腔壁的距离必须至少是其“特征”尺寸，等于面积的平方根（与 S 中的根相同）分母）。 如果不满足此条件，则必须将管道的“多余部分”从主体中取出，或者应修改谐振室的几何形状。 也许值得增加谐振室的体积并从模拟开始完全重复计算。 让我用一个例子来解释一下。 对于扬声器，根据上述计算，使用了直径为 25 厘米、锥体面积约为 380 平方厘米的头部。 端口必须设置为 2 Hz。 对于面板厚度为 50 mm 的 45 l 腔室，12 cm300 的孔可提供 2 Hz 的调谐，面积为 104 cm100 时调谐频率会降低至 2 Hz。 孔面积的进一步减小是不希望的，因此必须增加端口的深度。 同样的面积为 77 cm100，深度为 2 mm，调谐频率甚至更低 - 48 Hz。 无奈之下，我们将孔面积减少到67平方厘米（外径74毫米，内径2毫米的管道），并将深度增加到100毫米。 孔面积是锥体面积的97%，调谐频率正好是110 Hz。 结果是达到了，但不是以最好的方式。 由于主体的内部高度为 7,5 厘米，而管的特征尺寸为 8,6 厘米，因此整个管必须安装在谐振室外部。 考虑到的声学设计选项的优点是扬声器的特性实际上与行李舱的负载无关（最多约为其体积的一半）。 然而，如果没有带有所有类型头的管道，则不可能实现反相器，这是一个明显的缺点。 而后架上伸出的烟斗更是十足的前卫美学。 然而，艺术（包括音乐）需要牺牲…… 扬声器中的声学负载（平面谐振器） 如果您从另一面解决问题 - 取出架子顶部的谐振室？ 当然，动态磁头必须满足前面已经给出的要求：0,7 ... 1 范围内的全品质因数、中等刚性的悬架、低频的主共振。 谐振室的最简单版本是靠近扩散器放置的平面声屏。 屏幕下方的空气质量将与反相管中的空气质量相同——它会振荡。 端口的作用将由屏幕周边的插槽来扮演。 在第一个近似中，该设计可以被认为是亥姆霍兹谐振器的变体，并且可以使用相同的公式（1）进行计算，但是以变换的形式 - 对于“无管道”变体：
式中Fb——共振频率，Hz； Vc——腔室容积，cm； Sb——端口面积，cm2； k——孔形状系数（k = 1-1,25）。 然而，对于计算屏幕来说，这种形式的公式极其不方便，因为右侧的所有量都是相互关联的。 此外，某些参数影响的程度甚至方向尚不清楚。 因此，导出了方便计算屏幕的公式（公式推导及分析在文末）。 对于屏幕面积的初步计算，我们应用以下公式：
其中 S 为屏幕面积，cm2。 可以看出，式(3)中只出现了屏幕面积。 其余的设置去哪里了？ 仔细分析表明，调谐频率对屏幕形状及其安装高度的依赖性较弱（调谐频率在平均值的10%以内）。 因此，对于初步计算，通过分子中的系数值考虑这些参数的平均值就足够了。 对于最终计算，应用下面给出的精确公式（4）。 容易计算出，对于120Hz以下的频率，货架上方的屏幕面积超过1,2平方米，而调谐频率的进一步降低受到车辆尺寸的限制…… 确切的调谐频率由公式确定
式中h——屏体安装高度，cm； j——屏幕形状系数，等于：2,03——对于圆形屏幕； 2,17 - 用于方形屏幕； 2,25 - 适用于扩展比例为 2:1 的矩形屏幕。 为了进行实验验证，在IZH-0,99“小田”车的加固后架上安装了尺寸为0,46x2126 m的屏幕。 式（3）计算的设计调谐频率选择为200 Hz，由式（4）细化为215 Hz。 在调整和试听的过程中发现，最佳的屏幕安装高度在25 ... 40毫米范围内。 这一措施可以消除中低音区域频率响应的“故障”，并平滑所应用磁头的谐振峰值特性。 没有给出货架部件的草图，因为对于其他品牌的汽车，尺寸会有所不同。 屏幕由厚度为 9 毫米的胶合板制成；为了增加刚性，屏幕底部安装了 20x20 毫米的硬铝角。 屏幕通过六个带有法兰螺母的长螺栓固定在架子上，这样您就可以调整安装高度（图 5）。
显然，这种设计无法取代低音炮，但即使是最便宜的扬声器，它也可以改善 200 Hz 以下的低音再现。 因此，作者的想法得到了采纳，在俄罗斯的一些城市，汽车服务部门甚至开始小规模生产普通汽车用的屏蔽隔音架。 除了提高低频性能外，对于消费者来说，这样的架子中的扬声器不可见并且汽车不会引起入侵者的注意也很重要。 您可以在上面放一些东西而不会阻塞扩散器。 推导公式（3）和（4）的解释和评论 对于面积较大的反相器（当端口的特征尺寸远大于其深度时），式（1）中I项可取为零：
式中Fb——共振频率，Hz； Vc——腔室容积，cm3； Sb——端口面积，cm2； k是孔的纵横比。 通常在文献中这个公式以稍微不同的形式给出（2），其中k（已经没有度数了！）被称为孔的形状因子，给出了它的边界值：对于圆形和方形孔为1并且长槽为 1,25。 计算的本质并没有因此改变； 边界值的表示方便实用，但隐藏了该系数的物理意义。 传统表述中的公式根本没有考虑平面屏幕的情况，相应地，参考书中也没有标明这种配置的系数值，这使得分析变得复杂。 在最初的出版物[2]中，这种情况导致了错误和错误的结论（事实上，没有读者深入研究——实践比理论更有说服力）。 为了方便进一步分析，我们引入屏幕形状i的“理想”系数：
其中P是屏幕的周长：S是屏幕的面积。 对于圆形，它是最小的，等于 3,54；对于正方形，它是 4；对于长宽比为 2:1 的矩形，它等于 4,24。 即使出于布局原因，进一步拉长屏幕也没有意义。 屏幕面积的平方根无非就是它的“特征”大小：
这种声学设计中的端口不是孔，而是屏幕下方的空气体积与周围空间之间的边界。 因此，这个“环形”端口的面积就是屏幕周长与其安装高度的乘积。 同时，屏下体积是其面积与安装高度的乘积。 让我们用筛网周长及其安装高度 h 来表示端口面积，并用筛网面积和相同的安装高度来表示腔室容积。 孔的纵横比是周长与高度的比值。 传递到“有效”大小和系数，我们得到
将表达式（6）代入“特征”尺寸，我们最终得到
屏幕形状和尺寸的影响 根据屏幕的形状，式(7)的分子取以下值： 圆形屏幕-2,03； 方形屏幕 - 2,17； 长方形屏幕，伸长率 - 2:1 - 2.25。 因此，在相同面积的情况下，圆形屏幕将提供最小的调谐频率。 一般来说，屏幕形状的影响是微不足道的——当从圆形移动到相同面积的正方形时，调谐频率仅增加7%。 安装高度的影响也微不足道——当它从3厘米变化到15厘米时，调谐频率降低了7%。 进一步增加屏幕安装高度是没有意义的。 屏幕区域被证明是最有效的调整机制 代入平均安装高度和外形尺寸，我们得到一个方便的初步计算公式
式中 Fb——谐振频率，Hz； S——屏幕面积，cm2。 文学
作者：A. Shikhatov，莫斯科
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