• Obudowa bass-reflex



    Jak to działa

    Ten rodzaj obudowy jest dzisiaj najczęściej spotykany. W obudowie bass-reflex wykorzystujemy energię promieniowaną przez tylną stronę membrany, dzięki czemu możemy uzyskiwać niższe dolne częstotliwości graniczne niż w obudowie zamkniętej. Oprócz tego, obudowa bass-reflex pozwala nam uzyskiwać większą sprawność w zakresie niskich częstotliwości, oraz ograniczyć zniekształcenia nieliniowe w tym zakresie. Do obliczenia pojemności obudowy musimy znać: Fs, Qts, VAS. Na początku chciałem zaznaczyć, że obudowa typu bass-reflex jest skomplikowanym układem rezonansowym, niestety często bywa, że niedoświadczony konstruktor wkłada otwór o przypadkowej długości oraz średnicy, podłącza wzmacniacz, podkręca gałkę na godzinę trzecią, po czym przykłada rękę do otworu i czując, że "wieje" stwierdza, że jest OK (sam byłem świadkiem takiego wyczynu). Obudowa tego typu ma swoją częstotliwość rezonansową (Fb) która jest obliczana na podstawie parametrów zastosowanego głośnika, więc przy wymianie głośnika na inny należy na to zwrócić uwagę. Jak już pisałem, w tym rodzaju obudowy wykorzystujemy energię promieniowania tylnej strony membrany. Przy częstotliwości rezonansowej obudowy (Fb) głośnik zostaje odciążony od dużych amplitud dzięki czemu zmniejszają się zniekształcenia (otwór przejmuje pracę głośnika). Powyżej Fb promieniowanie otworu ma fazę zgodną z promieniowaniem przedniej strony membrany, dzięki temu uzyskujemy przyrost efektywności w stosunku do obudowy zamkniętej. Jednak poniżej Fb przesunięcie fazowe między otworem, a głośnikiem jest coraz większe, czym niższa częstotliwość tym większe przesunięcie fazowe, fale pochodzące z otworu oraz głośnika coraz bardziej się znoszą. Charakterystyka spada z nachyleniem 24dB/okt (12dB/okt spadek otworu + 12dB/okt spadek głośnika). W przypadku obudowy zamkniętej nie mamy otworu, więc spadek wynosi 12dB/okt, stąd bierze się łagodniejsza charakterystyka głośnika w obudowie zamkniętej, oraz to, że poniżej przecięcia się charakterystyki z obudowy b-r oraz obudowy zamkniętej większą efektywność ma obudowa zamknięta!.

    Odpowiedni głośnik

    W przypadku obudowy b-r nie mamy tak dużego wyboru głośników jak w przypadku obudowy zamkniętej, która "akceptuje" praktycznie wszystkie. Jedną z wad obudowy b-r jest dużo gorsza charakterystyka impulsowa niż w obudowie zamkniętej. Aby charakterystyki impulsowe były jak najlepsze należy stosować głośniki o jak najniższym Qts (dobroci całkowitej) oraz dobrać dobre do nich strojenie (o tym w dalszej części). Czym mniejsza dobroć, tym mniejsze oscylacje, jednak przy większej dobroci możemy uzyskiwać niższe dolne częstotliwości graniczne. Teraz wybór należy do konstruktora, od tego czy ma to być konstrukcja podłogowa, monitor, czy duży subwoofer. Wielkość obudowy jest również bardzo powiązana z VAS, jeśli VAS jest duże obudowa również musi być duża. W przypadku małych monitorów, w których Vb z reguły nie przekracza 14 litrów musimy szukać głośników z jak najmniejszym Qts (najlepiej poniżej 0,30) i VAS. W przypadku budowy dużego subwoofera warto poszukać głośnika z większym Qts, wtedy uzyskamy głębszy bas, oczywiście kosztem dużej potrzebnej objętości. Nie należy jednak przesadzać, w przypadku głośników o Qts>0,5 lepiej zrobić obudowę zamkniętą. Najlepiej oscylować w granicach 0,3. Chyba, że zależy nam na ilości basu, a nie na jego jakości, wtedy można zastosować głośniki o Qts nawet 0,7, jednak dla takich głośników będą nam potrzebne ogromne objętości, bas może być ospały, słabo kontrolowany, przeciągły. Głośnik o mocy znamionowej 100W w źle zaprojektowanej obudowie może wytrzymać tylko 20W przy np. 50Hz (praktycznie czym większa obudowa tym wytrzymałość mocowa jest mniejsza, oczywiście tylko wtedy kiedy obudowa będzie za duża w stosunku do odpowiedniego głośnika).

    Obudowa

    Zanim zaczniemy liczyć objętość musimy zdecydować się na sposób strojenia, jeśli żaden nam nie odpowiada możemy dostroić według własnych potrzeb. Do tego celu najlepiej używać programów symulacyjnych, najlepiej aby były to programy niekomercyjne, niestety takie sporo kosztują. Do wyboru mam kilka opracowanych modeli: BB4, QB3, SBB4, BB4, C4 ... każdy z nich charakteryzuje się inną charakterystyką impulsową, częstotliwościową i oczywiście wielkością obudowy oraz częstotliwością strojenia.


    • C4 - niska dolna częstotliwość graniczna, słabe charakterystyki impulsowe, wymaga dużej objętości. Rozwiązanie dla osób które chcą uzyskać bardzo niski bas kosztem liniowości i kontroli - głośniki z Qts>0,4
    • SBB4 - doskonałe charakterystyki impulsowe, wymaga małej objętości. Najlepiej stosować głośniki o Qts<0,35
    • QB3 - kompromis między ww modelami, impuls na dobrym poziomie, jest to najczęściej spotykane rozwiązanie

    Aby obliczyć obudowę szukamy w tabeli poniżej Qts naszego głośnika (po uwzględnieniu szeregowej rezystancji filtru !) i odczytujemy H oraz alfa.

    Wzór na objętość obudowy:

    Vb = VAS/alfa

    Częstotliwość rezonansowa obudowy:

    Fb = fs * H

    Qts
    H
    alfa
    0,20 1 5,9
    0,21 1 5,3
    0,22 1 4,8
    0,23 1 4,4
    0,24 1 4,0
    0,25 1 3,7
    0,26 1 3,4
    0,27 1 3,2
    0,28 1 2,9
    0,29 1 2,7
    0,30 1 2,5
    0,31 1 2,4
    0,32 1 2,2
    0,33 1 2,1
    0,34 1 2,0
    0,35 1 1,8
    0,36 1 1,7
    0,37 1 1,6
    0,38 1 1,5
    0,39 1 1,5
    0,40 1 1,4
    0,41 1 1,3
    0,42 1 1,3
    0,43 1 1,2
    0,44 1 1,1
    0,45 1 1,1
    0,46 1 1,0
    0,47 1 1,0
    0,48 1 0,9
    0,49 1 0,9
    0,50 1 0,9
    0,51 1 0,8
    0,52 1 0,8
    0,53 1 0,8
    0,54 1 0,7
    0,55 1 0,7
    0,56 1 0,7
    0,57 1 0,6
    0,58 1 0,6
    0,59 1 0,6
    0,60 1 0,6
    Qts
    H
    alfa
    0,20 1,9 7,8
    0,21 1,8 7,0
    0,22 1,8 6,2
    0,23 1,7 5,6
    0,24 1,6 5,1
    0,25 1,6 4,6
    0,26 1,5 4,2
    0,27 1,5 3,8
    0,28 1,4 3,4
    0,29 1,4 3,1
    0,30 1,3 2,8
    0,31 1,3 2,6
    0,32 1,2 2,5
    0,33 1,2 2,2
    0,34 1,2 2,0
    0,35 1,4 1,8
    0,36 1,4 1,6
    0,37 1,4 1,6
    0,38 1,4 1,4
    0,39 1,0 1,2
    0,40 1,0 1,1
    0,41 1,0 1,0

    Tabela: po lewej SBB4/BB4, po prawej QB3

    Przykład: głośnik to Scan-speak 21W/8555-01: Fs=19, VAS=136, Qts=0,26. Szukamy alfa i H. alfa = 3,4, H = 1. Vb = 136/3,4 = 40 litrów. Fb = 19 * 1 =19Hz. Od razu widać, że będzie problem ze strojeniem obudowy, a dokładniej z zastosowaniem tunelu o odpowiedniej średnicy (będzie bardzo długi). Niestety musimy zrezygnować z tego rozwiązania, musimy stroić inaczej...

    Oczywiście nie musimy stroić według ww modeli. Możemy uruchomić program i dostroić obudowę według własnych potrzeb, oczywiście znajomość podstawowych zasad jest obowiązkowa, żeby nie okazało się, że dla głośnika 13cm zrobiliśmy obudowę 50 litrów. Jeśli ktoś nie chce zagłębiać się w szczegóły najlepszym rozwiązaniem będzie skorzystanie z tabeli i wzorów.

    Otwór

    Aby obliczyć długość otworu należy skorzystać ze wzoru:

    Lv = (23562,5*A2) / (Fb2*C) - (0,73*A)

    Średnica minimalna otworu:

    Dmin = 100*[20,3*(Vd2/Fb)0,25] / Np0,5

    Vd = Sd*Xmax/1000

    Lv - długość otworu okrągłego
    A - średnica rurki [cm]
    Fb - częstotliwość do której chcemy dostroić otwór [Hz] (rezonans obudowy)
    C - objętość obudowy [l]
    D - ilość otworów
    Dmin - średnica minimalna
    Np - ilość otworów

    Jeśli nie znamy Xmax, a producenci często nie podają tego parametru, należy zastosować możliwe dużą średnicę otworu. Zbyt mała średnica może powodować, że przy większych mocach będziemy słyszeli świst powietrza pompowanego przez otwór, a sam układ nie będzie pracował optymalnie. Jeśli powietrze nie będzie nadążało przechodzić przez otwór wystąpi tzw kompresja, a to w przypadku obudowy b-r jest nie do przyjęcia. Z drugiej strony, jesteśmy ograniczeni wielkością obudowy, czasami zdarza się, że otwór musi mieć pół metra długości co z technicznego punktu widzenia jest niemożliwe do zastosowania. Jest to spora wada obudowy b-r, czasami musimy zrezygnować z wręcz idealnego strojenia z powodu otworu.

    Inne ograniczenie wprowadzają rezonanse rurowe. W przypadku zbyt długiego otworu mogą one powstawać w samym otworze wprowadzając zniekształcenia. Aby uniknąc tego problemu należy uważać, aby długość otworu nie była większa niż 1/12 fali częstotliwości strojenia.

    Wzór na długość fali:

    L = v/f

    v - prędkość dźwięku w powietrzu 343m/s
    f - częstotliwość strojenia obudowy

    Należy również stosować otwory z wyprofilowanym wylotem i rozszerzającej się ku wylotowi średnicy. W przypadku takiego otworu należy obliczyć średnią średnicę i podstawić do wzoru. Zalecam jednak zmierzyć charakterystykę impedancji głośnika w obudowie aby idealnie dostroić Fb (będzie w dołku między dwoma wierzchołkami).


    Jeśli nie możemy kupić otworu o odpowiedniej długości, co się często zdarza, możemy go przedłużyć za pomocą rurki PCV, pamiętając aby połączenie było możliwie dobrze wyszlifowane, powietrza ma się łatwo "prześlizgnąć". Najlepiej kupić rurkę PCV o takiej samej średnicy jak otwór b-r, rozgrzać ją nad gazem i nałożyć na otwór b-r. Jednak zanim to zrobimy b-r należy wyszlifować pod kątem 45 lub więcej stopni.


    Między końcem otworu znajdującego się wewnątrz obudowy, a tylną i bocznymi ściankami powinna zostać zachowana odległość co najmniej taka, jak średnica otworu, nie należy tłumić przy końcu otworu znajdującego się w środku obudowy. Otwór możemu umieścić na dowolnej ściance, jak się komuś podoba nawet na górnej, z punktu widzenia obudowy jest to obojętna, z punktu widzenia akustyki pomieszczenia już nie.

    Umieszczenie otworu z tyłu powoduje podbicie basu, musimy wtedy zachować większy dystans tyłu obudowy od ściany. Jeśli otwór jest z przodu obudowę możemy przysunąć do ściany, jednak otwór z przodu może spowodować, że wszelkie szkodliwe rezonanse otworu i świsty powietrza będą dobrze słyszalne, a nie jest to pożądane. Jeśli mamy możliwość odsunięcia obudowy od ściany na odległość około metra, otwór z tyłu będzie lepszym rozwiązaniem.

    Qts


    Często oceniamy głośnik na podstawie jego częstotliwości rezonansowej (Fs) nie zwracając uwagi na Qts. Qts jest bardzo ważnym parametrem w wielkim stopniu decydującym o dolnej częstotliwości granicznej oraz wielkości obudowy. Mając dwa głośniki:
    głośnik A: Fs=30, VAS=100, Qts=0,25 - kolor żółty
    głośnik B: Fs=30, VAS=100, Qts=0,35 - kolor zielony
    Głośniki różnią się tylko dobrocią całkowitą, teraz zobaczmy jak ta "mała" różnica wpływa na charakterystykę:


    Od razu widać, że głośnik B osiągnie dużo niższą częstotliwość graniczną niż głośnik A, w przypadku A -6dB wynosi 50Hz, dla B jest to 32Hz. Można z tego wywnioskować, ża lepiej stosować głośniki z większym Qts. Ale głośnik A potrzebuje 20 litrów, a głośnik B ponad trzy razy więcej, aż 62 litry. Tak wygląda charakterystyka impulsowa:


    Dla głośnika B oscylacje trwają do 18ms, w A maksimum 11ms. Do tego wytrzymałość mocowa B będzie mniejsza. A co się stanie kiedy głośnik A włożymy do dużej obudowy, a głośnik B do małej? Tym razem odwrócę role, tzn A do 63 litrów, B do 20 litrów. Po pierwsze, charakterystyka impulsowa się pogorszy, dla głośnika A wynosi teraz 21ms (wcześniej 11), dla B jest 15ms. Kolejną rzeczą to liniowość przetwarzania. W przypadku A mamy spore siodło poniżej 120Hz, gdzie tracimy średnio 2,5dB względem normalnej efektywności. Punkt -6dB znajduje się w tym samym miejscu, czyli przy 32Hz. W przypadku głośnika B, jak się można było spodziewać mamy podbicie efektywności które zaczyna się przy około 200Hz, przy 90Hz mamy już prawie +3dB. Tu również dolna częstotliwość graniczna pozostaje przy 50Hz:


    Podsumowując, nie trzeba się ściśle trzymać objętości które wyszły nam ze wzorów. Czasami jest to wręcz niemożliwe, przy głośnikach z dużym Qts i VAS wyniki zaskakują, np. obudowa o pojemności 500 litrów. Jeżeli posiadamy głośnik z niskim Qts należy się raczej zastanowić nad małą obudową, konstruktor takiego głośnika na pewno nie robił go z myślą aby uzyskiwać bardzo niskie dolna częstotliwości graniczne. Głośniki z niską dobrocią przeważnie są bardzo szybkie, a to przy małej obudowie daje bardzo dobre rezultaty.

    Obliczanie bass-reflexu było bardzo skomplikowane do czasu, gdy dwóch panów (Thiele i Small) nie wprowadziło do życia tzw. parametrów T-S (nazwa od nazwisk). Teraz dzięki programom symulacyjnym obliczanie stało się dużo łatwiejsze. Pamiętajmy jednak, że programy wszystkiego nie przewidzą. Często musimy zrezygnować z wręcz idealnej charakterystyki częstotliwościowej z powodu wytrzymałości mocowej. Mogą pojawiać się siodła lub głośnik przy niskich częstotliwościach może wytrzymać zbyt małą moc. Konstruując obudowę bass-reflex musimy pogodzić ze sobą: impuls, wytrzymałość mocową oraz dolną częstotliwość graniczną. A jak to zrobimy zależy od konstruktora.

    Jarosław Sobólski
    js(at)data(dot)pl