Obudowy głośnikowe cz. IV - obudowy zamknięte

Obudowy zamknięte ze względów konstrukcyjnych wydają się najprostszymi jakie możemy sobie wyobrazić. Jednak czy tak jest na prawdę dowiecie się z kolejnego poradnika przygotowanego przez Reduktora Szumu.

Obudowa głośnikowa zamknięta jest to obudowa, która całkowicie izoluje akustycznie przednią stronę membrany głośnika od strony tylnej, ponieważ głośnik wbudowuje się do całkowicie zamkniętej skrzynki, zatem energia tylnej strony membrany jest w całości zamieniana w ciepło. Wydawałoby się zatem, że taka obudowa pozwoli nam wreszcie zrealizować ideę nieskończenie wielkiej odgrody, do której tak uparcie wracam, a która byłaby idealna dla głośnika. Niestety, jak to bywa w praktyce, obudowa zamknięta wprowadza pewną niekorzystną właściwość w postaci poduszki powietrznej, czyli sprężystości powietrza zgromadzonego w obudowie. Powietrze to zachowuje się, jak swego rodzaju sprężyna i jak gdyby usztywnia membranę, a co za tym idzie, częstotliwość rezonansowa układu głośnik-obudowa, rośnie.

Zatem, po wmontowaniu głośnika do obudowy zamkniętej, jego częstotliwość rezonansowa zawsze będzie większa, niż dla samego głośnika, zawieszonego swobodnie. Można by, co prawda, zbudować odpowiednio dużą obudowę zamkniętą, aby wpływ poduszki powietrznej był pomijalny, ale po pierwsze, taka obudowa byłaby niepraktyczna, a po drugie: nie byłoby to korzystne dla pewnych innych parametrów głośnika, ale o tym potem.

Ponieważ dążymy do możliwie jak najniższej częstotliwości rezonansowej, która rozszerzy nam pasmo przenoszenia głośnika w dół, ta właściwość obudowy zamkniętej nie jest dla nas korzystna. Ponieważ głośnik w obudowie zamkniętej promieniuje, oczywiście, dźwięk, a nie radioaktywnie, tylko jedną stroną membrany, sprawność jego odtwarzania w tych warunkach jest stosunkowo niska, ale i tak wyższa, niż dla opisywanej w poprzednim odcinku odgrody płaskiej, dlatego też, obudowy zamknięte są dzisiaj raczej rzadziej stosowane, niż kiedyś. Częściej można spotkać obudowy baz refleks.

Obudowa typu zamkniętego ma jednak bardzo korzystną cechę, a jest nią prostota jej obliczania, ponieważ musimy dla danego głośnika właściwie tylko obliczyć jej objętość.

Załóżmy, że mamy głośnik niskotonowy i chcemy go użyć do budowy subwoofera w obudowie zamkniętej. Co powinniśmy wiedzieć, aby obliczyć objętość takiej obudowy? Tutaj musimy wrócić do wspomnianych w pierwszym odcinku o obudowach głośnikowych, parametrów Thiele’a-Smalla, które pomogą nam w obliczeniach. Pamiętamy, że mamy trzy takie podstawowe parametry. Jest to częstotliwość rezonansowa głośnika, dobroć całkowita oraz objętość ekwiwalentna. Te parametry głośnika powinniśmy znać – są one podawane przez producentów głośników.

Dla obliczenia obudowy zamkniętej potrzebny nam będzie jeszcze jeden parametr. Nie jest to parametr głośnika, ale jest to dobroć całkowita układu głośnik-obudowa, czyli, mówiąc prościej, jest to dobroć głośnika w obudowie. Parametru tego nie obliczamy. Nie jest on także podawany przez producenta głośnika. No to, skąd zatem, mamy go wziąć? Musimy przyjąć go sami, a zależy on od tego, jaką charakterystykę przenoszenia chcemy uzyskać. Pamiętamy, że przy użyciu obudowy zamkniętej, głośnik spoczywa na poduszce powietrznej, utworzonej przez objętość powietrza w obudowie. Im mniejsza jest pojemność obudowy, tym poduszka powietrzna jest bardziej twarda, stawia większy opór membranie głośnika, a co za tym idzie – bardziej zabezpiecza ją przed nadmiernym wychyleniem przy odtwarzaniu basów. Zatem, im mniejsza będzie obudowa, tym głośnik będzie bardziej zabezpieczony mocowo, czyli może łatwiej przetrwać impulsy o dużej mocy. Dobierając zatem parametr Q_tc, który w przypadku obudowy zamkniętej jest parametrem kluczowym, musimy przyjąć pewien kompromis pomiędzy niską częstotliwością graniczną a wytrzymałością mocową głośnika w obudowie.

Spójrzmy na wykres przedstawiający różne charakterystyki przetwarzania dla różnych wartości parametru Q_tc. Dla niskich jego wartości mamy łagodnie opadającą, ale nisko przebiegającą krzywą - dla wartości wysokich krzywa jest wysoka, ale opada stromo. Musimy sami zadecydować, jaką wartość Q_tc przyjmiemy do obliczeń, ale jeśli przyjmiemy, powiedzmy, niskie 0,5 to, co prawda, częstotliwość graniczna będzie też niska, ale konieczne będzie użycie bardzo dużej obudowy i głośnik narażony będzie na duże wychylenia membrany. Jeśli przyjęlibyśmy z kolei wysokie Q_tc, na przykład 1,2 to obudowa wyjdzie nam mała, ale dolna częstotliwość może być z kolei zbyt wysoka. W praktyce przyjmuje się wartość Q_tc od 0,6 do 1,2. Często przyjmuje się wartość 0,8 jako kompromis – wtedy obudowa nie wychodzi zbyt wielka, a charakterystyki impulsowe pozostają zadowalające.

Tutaj wielu z was pewnie już zaczyna się niecierpliwić, że w tym odcinku ciągle tylko obliczamy i obliczamy. Oczywiście, istnieją programy do obliczania obudów głośnikowych, za pomocą których szybciej uzyskamy dokładne wyniki i nawet ładne wykresy przetwarzania. Uważam jednak, że nie ma nic złego w tym, żeby używać mechanizmów obliczania „na piechotę”, bo można poznać bliżej zasady działania obudów głośnikowych, a o to przecież nam chodzi. Poza ty, w przypadku obudowy zamkniętej, obliczanie to jest wyjątkowo proste, a oprócz tego możemy porównać nasze ręczne obliczenia z wynikami obliczeń komputerowych programów. Zatem, do dzieła.

Jeśli już wyznaczyliśmy parametr Q_tc, to możemy zabrać się za obliczanie objętości obudowy. Zanim to zrobimy, musimy obliczyć pomocnicze wartości, nazwijmy je: V_h oraz Q_h.

Te pomocnicze wartości ułatwią nam dalsze obliczenia. Wzór na objętość obudowy widzimy na planszy, jest to:

V_b = V_as / V_h

Natomiast częstotliwość rezonansową obudowy, możemy obliczyć jako:

V_b  =  Q_h  *  F_s

Oczywiście, wartość będziemy mieć w Hz. Spróbujmy obliczyć konkretny przypadek obudowy zamkniętej, dla głośnika. Weźmy popularny kiedyś polski głośnik firmy Tonsil GDN 25/40/1. Parametry TS dla niego, wynoszą:

• częstotliwość rezonansowa – 37 Hz,
• objętość ekwiwalentna – 110 litrów,
• dobroć całkowita – 0,36 (my przyjmiemy sobie wartość Q_tc, jako 0,8).

Najpierw musimy obliczyć pomocnicze wartości V_h i Q_h i widzimy, że objętość obudowy wyszła nam 30 litrów, a częstotliwość rezonansowa obudowy 32 Hz. Obudowa wyszła nam dość mała, natomiast częstotliwość rezonansowa trochę zbyt duża. Gdybyśmy przyjęli nieco mniejszą wartość Q_tc, np. 0,6 to objętość obudowy wyjdzie nam 62 litry, a częstotliwość rezonansowa 64 Hz.

Na tym przykładzie, możemy stwierdzić, że głośnik ten nie za bardzo nadaje się do zastosowania w obudowie zamkniętej, ponieważ jego dość wysoka częstotliwość rezonansowa nie pozwoli nam na niskie zejście z częstotliwością na wykresie. A wracając do obliczeń obudowy: widać wyraźnie, że możemy dobierać sobie parametr Q_tc w pewnych granicach, pamiętając o wytrzymałości mocowej głośnika, przy niskich jego wartościach.

Wszystkie powyższe obliczenia dotyczyły obudowy niewytłumionej, pustej. Co właściwie daje wytłumienie wnętrza obudowy? Powoduje ono wzrost podatności powietrza wypełniającego wnętrze obudowy, a co za tym idzie, pozorne zwiększenie jej pojemności. Poza tym, powoduje ono wytłumienie fal stojących, mogących powstawać wewnątrz. Warto zatem stosować wytłumienie, ale trzeba je uwzględnić w obliczeniach.

Najprościej podzielić obliczoną wartość V_b przez współczynnik 1,2 dla luźnego wypełnienia całej objętości obudowy, np. wełną mineralną.

Obudowa zamknięta, w odróżnieniu od obudowy bas refleks, jest bardziej tolerancyjna, jeśli chodzi o dobór głośnika do niej. Jednak nie należy do niej stosować głośników o bardzo niskim parametrze Q_ts, np. poniżej 0,35. Jeśli mamy głośnik o Q_ts w granicach 0,5-0,6 to można go z powodzeniem użyć w obudowie zamkniętej. Starajmy się również dobierać do takiej obudowy głośniki o odpowiednio niskiej częstotliwości rezonansowej. Jeśli mamy porządny głośnik niskotonowy, ale nie znamy jego parametrów Thiele’a-Smalla, to lepiej włożyć go do obudowy zamkniętej, ponieważ taka obudowa wybacza błędy dużo bardziej, niż inne rodzaje obudów.

Obudowa zamknięta ma parę wad, ale ma też dużo zalet. Wadą jej jest, oczywiście, niska sprawność, wynikająca z wykorzystania tylko jednej strony membrany, a także zwiększanie częstotliwości rezonansowej głośnika. Zaletami, natomiast, są łatwe obliczenia dla tego rodzaju obudowy, możliwe do uzyskania małe wymiary obudowy, przy dobrych właściwościach akustycznych, dobre przetwarzanie impulsów, a także mały spadek charakterystyki poniżej częstotliwości rezonansowej, wynoszący tylko 12db. Obudowa głośnikowa zamknięta, aby dobrze spełniała swoje zadanie, musi być szczelna. Szczelność obudowy bardzo łatwo można sprawdzić: naciskamy lekko membranę głośnika niskotonowego, przytrzymujemy ją przez chwilę, a następnie puszczamy. Membrana powinna wrócić do swojego położenia powoli, w ciągu 1-2 sekund. Jeśli wróci natychmiast, to trzeba uszczelnić obudowę. Oprócz tego, obudowa tego typu, musi być bardzo sztywna. Nie należy żałować na jej budowę rozpurek i wzmocnień. Grubość ścianek dla większych obudów musi wynosić, co najmniej 20 mm i dobrze, kiedy jest to sklejka lub MDF, a nie płyta wiórowa.

To tyle na temat obudów zamkniętych. Kolejnym tematem będą najpopularniejsze dzisiaj obudowy z otworem, czyli obudowy typu bas refleks.