Для перевірки даних мал. 2 (стаття "Теорія резонансів корпусів гучномовців. Ч. 1") був виготовлений пробний корпус об'ємом 5000 куб. дюймів (~82 л.), верхня, нижня і бічні стінки якого зроблені з фанери завтовшки ¾ дюйма, обробленої шпоною деревини волоського горіха, задня панель виконана з ДСП завтовшки ½ дюйма, а передня - з ДСП завтовшки ¾ дюйма. Для тестування всередину цього корпусу помістили гучномовець меншого розміру. Маленький гучномовець механічно розв'язаний від великого за допомогою " подушки" з гофрованого паперу і підключений до генератора, як показано на мал. 4.
Мал. 4.
Також мал. 4 ілюструє використання контактного звукознімача (застосовуються в акустичних гітарах), лампового вольтметра і осцилографа для виміру відносного зміщення панелей. За допомогою фігур Лиссажу на екрані осцилографа можна визначити зміну фази зміщення панелі, як це відбувається при переміщенні звукознімача по лініях вузлів. Перший резонанс був виявлений у задньої стінки на частоті 120 Гц. Напівдюймова задня панель була розміром 28 на 16 дюймів, і за даними мал. 2 можна передбачити резонанс на частоті приблизно 138 Гц. Другий резонанс був знайдений на частоті 180 Гц, а основна частота передньої панелі за даними мал. 2 оцінюється в 200 Гц. Додаткові резонанси виникали на частотах 315 Гц, 386 Гц, 400 Гц і далі аж до частоти 1200 Гц. У діапазоні частот вище 1200 Гц спостерігалися дуже невеликі коливання корпусу. Це підтверджує, що моди з більш високими частотами збуджуються важче. Передбачалося, що основні резонансні частоти для бічної і верхньої панелей складатимуть приблизно 440 і 500 Гц. Виміри ж контактним звукознімачем показують, що резонанси виникають на частотах 386 Гц і 400 Гц для бічної і верхньої панелей відповідно. Складність у визначенні справжніх значень для констант, що описують властивості матеріалу (в даному випадку - фанери, яка має не гомогенну структуру), вносить свій вклад в помітні розбіжності між результатами теоретичних розрахунків і експериментальними даними.
Амплітуда тиску повітря в ящику може бути досліджена за допомогою теорії, розробленою Смоллом. Об'єднання його формул дає:
де:
pB – середньоквадратичне значення тиску повітря в ящику
VB – об'єм ящика
r - щільність повітря
c – швидкість звуку в повітрі
PA – випромінювана потужність
w - циклічна частота в режимі, що встановився
Ця формула була введена в програму, і на мал. 5 представлені криві залежності тиску від частоти для ящиків різних об'ємів.
Мал. 5
Вивчення мал. 5 також підтримує ідею про те, що збільшення основних резонансних частот панелей вище 500 Гц може усувати вібрації стінок, оскільки тиск в корпусі падає до дуже невеликих значень. В результаті цього зменшується амплітуда вібрацій і, відповідно, випромінювана акустична енергія.
Вібрації, що виникають через силу протидії динаміка
Аналіз передньої панелі гучномовця, яка несе на собі динаміки, є набагато складнішим завданням, ніж для бічних або задньою стінок. Ми маємо прямокутну пластину з отвором посередині, а також закріпленою там же додатковою масою (самого випромінювача). Пластина випробовує ті ж навантаження, які обговорювалися вище, і, окрім них, ще і дія " реактивної" сили голівки. Найважливіше, що ми тут бачимо застосування закону Ньютона, згідно з яким всяка дія викликає протилежну реакцію такої самої величини. Сила, що переміщає дифузор, обов'язково створює протидію, яка і робить додаткове навантаження на передню панель. Більше того, голівка сама по собі має свою жорсткість і масу, які, в загальному випадку, відрізняються від властивостей матеріалу, вирізаного з панелі для монтажу голівки. Для дослідження цієї проблеми десятидюймовий низкочастотник Jensen з масою рухливої системи 20 грамів був змонтований в центрі ¾-дюймовой передньої панелі вищеописаного корпусу об'ємом 82 л. За допомогою контактного звукознімача резонанс знову був виявлений на частоті приблизно 120 Гц (відповідній резонансній частоті задньої стінки). Проте, другий резонанс (що відповідає основному передній панелі), перемістився по частоті з 180 Гц до 130 Гц. Поза сумнівом, що з отворами для твітерів і портами, теоретичне пророцтво резонансної частоти передньої стінки стає надзвичайно важким, якщо не неможливим. Говорячи загалом, отвір зменшує жорсткість панелі і, відповідно, знижує її резонансну частоту так само, як і додаткова зосереджена маса по центру.
Вібрації від переміщення інших панелей
В ході експериментів, описаних вище, було помічено, що коли одна панель корпусу вібрує на резонансній частоті, сильні вібрації спостерігаються також і у інших стінок. Хоча ми аналізували панелі корпусу як окремі пластини, на практиці вони не розділені, а, навпроти, міцно сполучені один з одним по кутах корпусу. Можливе виникнення таких мод, які " задіюють" відразу дві і більше стінки. Проте, попередні дослідження підтримують висновки, що частоти основних резонансів окремих панелей найбільш критичні для корпусу в цілому. На середніх частотах (скажімо, від 500 до 1000 Гц для дослідженого нами корпусу) деякі " змішані" резонанси, що зачіпають більше за одну панель, поза сумнівом, були присутніми, але їх наявність була визнана нестабільною.
Додаткові зауваження
Існують і інші елементи, що впливають на вібрації стінок остаточно виготовленого корпусу. Вони включають демпфування, внутрішнє поглинання і додаткові ребра жорсткості.
Демпфуючий ефект властивий усім матеріалам і варіюється в широких межах. Слід звернути увагу на два результати від демпфування. "Затягування", або прагнення стінок продовжувати вібрувати на резонансній частоті після того, як зникла сила, що викликала вібрацію, запобігається, або зменшується високим демпфуванням матеріалу панелі. Також демпфування веде до зниження вібрацій панелей і, отже, зменшенню інтерференції між перевипромінюваною стінкою акустичною енергією і передбачуваним вихідним сигналом гучномовця. Муар [стаття в попередньому номері М12В] обговорює демпфуючі характеристики деревини різних порід.
Внутрішнє поглинання забезпечується шляхом заповнення корпусу звукопоглинальними матеріалами, такими як скловата або покриття стінок корпусу цими ж матеріалами. Таппан показує, як подібний звукопоглинальний матеріал може зменшити резонансний відгук панелей. Незважаючи на це, зниження на 1 дБ або біля того, досягнуте Таппаном, не можна визнати занадто вже значним, і у багатьох випадках заповнення корпусу скловатою не дає такого відчутного поліпшення, як це іноді рекламується.
Ребра жорсткості виявляються найбільш ефективним з простих способів зменшення резонансних ефектів. Зважаючи на мал. 1, можна помітити, що ребро жорсткості, виконане уздовж довгої сторони панелі, діє дуже ефективно і дає збільшення резонансної частоти в 2,5 3 рази в порівнянні з панеллю без таких елементів. По мал. 2 можна визначити, що, якщо максимальна відстань між ребрами жорсткості зменшити до 25 сантиметрів, то основні резонансні частоти панелі піднімуться вище 1000 Гц
Відносно грамотного розміщення ребер жорсткості і перегородок слід зробити декілька зауважень. Стінки корпусу, ідентичного протестованому раніше, були додатково укріплені планками з сосни перерізом 25 х 50 мм, прикрученими шурупами завдовжки 25 мм з інтервалом між ребрами жорсткості 75 мм. Планки встановлювалися довгою стороною перпендикулярно панелі. Резонансні частоти зросли лише злегка (на 10 20 Гц). Це підкреслює, що ребра жорсткості мають бути набагато жорсткішими на вигин, і, оскільки умови закріплення країв стінки є найбільш важливими, бажана і більш висока жорсткість на кручення. Передбачається також, що можливе використання алюмінієвих або сталевих елементів корпусу, хоча це ще не було досліджено експериментально.
На закінчення слід зауважити, що основні резонансні частоти пропорційні квадратному кореню жорсткості панелі, що ділиться на масу панелі на одиницю площі. Це припускає, що, використовуючи дуже жорсткий і одночасно легкий матеріал, можна збільшити основну частоту за межі "проблемної області". Використання легких панелей "пошарової" конструкції, як пропонує Таппан, може виконати це завдання ще краще, хоча, знову ж таки, поки не отримало підтвердження на практиці.
Висновки
Первинна проблема вібрацій корпусу викликана резонансами його стінок. Якщо подібний резонанс виникає на відносно високих частотах (вище 1000 Гц), вібрації виявляються незначними.
Конструкторам корпусів доступні два параметри - властивості матеріалу і розміри панелей. Для збільшення резонансних частот панелей слід вибирати легкі і жорсткі матеріали, причому розміри неукріплених ділянок треба намагатися скорочувати до мінімуму шляхом грамотного використання ребер жорсткості. Другим способом зменшення резонансів є використання звукопоглинального наповнювача або оббивки їм стінок, а також застосування для панелей матеріалів з високим демпфуванням. Високе демпфування запобігає виникненню " післязвучання" корпусу.
JAES, April 1973, Vol. 21, # 3, p.p. 177-180
Переклад: Володимир Ващук
Джерело: http://JAES, April 1973, Vol. 21, # 3, p.p. 177-180 |
