Поиск

Материалы для корпусов акустических систем

Вопрос выбора материала для изготовления корпуса акустической системы возникает одним из первых как у новичков, так и у опытных людей. И это не удивительно, ведь как минимум 50% качества звучания готового проекта зависят только от правильного изготовления корпуса.

Акустическая система

Создать обсуждение статьи на форуме

MetalHeart

Автор: MetalHeart

Перекопав кучу литературы, статей и пробороздив по просторам мультиязычного Интернета, толкового ответа я так и не нашел. В книгах и статьях, как правило, дается приближенная оценка результатов без конкретных аргументаций и твердых выводов. Любое же обсуждение этого вопроса на форумах приводит к многостраничным перепалкам среди участников, опять же без аргументов и результатов, позволяющих таки определиться с выбором. И как-то совершенно неожиданно на просторах нидерландской сети я обнаружил отличную и уникальную в своем роде статью по теме. Тут было все – измерения, графики, подробные комментарии и заключения от автора. Чтож.. нидерландским владеют не многие, но было бы очень неплохо, чтобы и русскоговорящие умельцы смогли, наконец, получить исчерпывающий ответ на такой важный и непростой вопрос. Я взялся за перевод.

 

Введение

Для создания хороших акустических систем (АС) прежде всего необходим хороший корпус. Корпус АС обеспечивает необходимое сосредоточивание (направленность) акустической энергии. В идеальном случае корпус АС должен быть абсолютно жестким и не подвергаться воздействию акустической энергии. Чаще всего материалом корпусов является древесина. Также применяются и другие материалы, такие как пластик, алюминий, камень и  бетон. Большое количество АС имеют проблемы в звучании связанные с тем, что их корпуса придают свою собственную окраску звуку, так как сами излучают почти столько же звуковых волн, сколько и сама динамическая головка. Этот эффект проявляется на определенных частотах и четко себя выдает. Что же происходит на самом деле?

 

Что же происходит на самом деле?

резонанс корпуса АС акустической системы колонки

Динамическая головка (ДГ), установленная в корпусе АС вибрирует в такт входному сигналу, поступающему с усилителя мощности. Эти колебания передаются через ее корзину ДГ на корпус АС и приводят к вибрации всей конструкции в целом. Другой путь передачи вибрации обусловлен быстрым сжатием и расширением воздуха внутри корпуса АС в такт хода диффузора ДГ (эффект поршня). Эти колебания очень малы по амплитуде, и их трудно обнаружить визуально или потрогав корпус рукой. В идеальном случае ДГ не имеет контакта с корпусом АС и не оказывает акустического давления на стенки ящика - акустическая система звучит, как отдельно взятая ДГ. На практике это, конечно же, недостижимо и важнейшую роль в звучании АС играет материал и конструкция их корпусов. Этот вопрос волнует меня, как и любого другого производителя качественных АС прежде всего. И чтобы иметь возможность выбирать лучший материал для постройки АС я произвел их экспериментальное исследование.

 

Методика измерений 

резонанс корпуса АС акустической системы колонки

Как же протестировать широкий набор материалов?

Для измерения создана специальная методика. Был сконструирован корпус (типа закрытый ящик с утопленным заподлицо динамиком) из 18мм МДФ, укрепленного 32мм слоем бетона. Вес готового корпуса тестового ящика составил 105кг.

Толщина всех исследуемых панелей тоньше, чем стены экспериментального ящика, таким образом, в конструкции формируется самое слабое звено для измерений.

Фронтальная часть тестового ящика имеет рамку под установку в нее исследуемых панелей.

Для возможности проведения измерений панелей с ребрами жесткости, в центре проема под тестовую панель установлено съемное ребро.

 

Описание методики 

Сначала необходимо найти место для проведения контрольных измерений.

Контрольное измерение проводится без установки тестовой панели в экспериментальный корпус.

Второе измерение проводится так же, но с установленной тестовой панелью и мы видим разницу в спектрах, как показано на рисунке 1.

Если во втором измерении мы не производим никаких изменений, то соответственно никакой разницы между спектрограммами мы не должны увидеть. 

Измеренное различие заключается в уменьшении звукового давления тестовой панелью.

То есть в идеальном случае (идеальный материал для корпуса АС) во втором измерении (с установленной панелью) мы не должны увидеть каких-либо всплесков частот на спектрограмме (подобно тому, что на рисунке 2).  

Чтобы исключить влияние уровня окружающего шума, проводилось измерение последнего на более высокой чувствительности системы (рисунки 2, 3).

 

Результаты измерений 

Во всех случаях использовались одинаковые настройки.

Для того чтобы исключить возможное влияние пространства, измерения проводились на малом расстоянии (17,5см)  напротив центра тестовой панели.

Измерительная система: Daas 32

частота дискретизации 2kHz - 6kHz

уровень -14dB

3D спад, динамический диапазон +5/-35dB

 

 

Часть первая

1. Базовое измерение

2. Уровень шума

3. Уровень шума -70dB

4. 10мм ДСП

5. 18мм ДСП

6. 18мм МДФ

7. 18мм фанера меранти

8. 18мм березовая фанера

9. 18мм МДФ с ребрами жесткости

10. 18мм березовая фанера с ребрами жесткости

11. "Сэндвич" ДСП + березовая фанера

12. "Сэндвич" ДСП + МДФ

13. "Сэндвич" ДСП + березовая фанера + пена

14. 18мм МДФ + 20мм бетон

15. 18мм МДФ + 20мм бетон + ребра жесткости

16. 18мм МДФ + бетон +
ребра жесткости + 80мм стекловаты


Часть вторая

17. 80мм стекловата

18. Березовый массив с ребрами жесткости +
80мм cтекловата

19. 18мм МДФ + 10мм минеральная вата

20. 30мм твердого дерева без ребер жесткости

21. 18мм МДФ + 7мм изомат без ребер жесткости

22. "Сэндвич" 18мм березовый массив + 7мм изомат +
18мм МДФ + ребра жесткости

23. 18мм МДФ + 11мм изомат без ребер жесткости

24. 18мм МДФ + 11мм изомат с ребрами жесткости

25. "Сэндвич" береза + 11мм изомат + 18мм МДФ

26. "Сэндвич" береза + 11мм изомат + 18мм МДФ
с ребрами жесткости

27. "Сэндвич" твердое дерево + 11мм изомат +
18мм МДФ с ребрами жесткости

28. "Сэндвич" береза + 11мм изомат +
18мм МДФ с ребрами жесткости + 80мм стекловата

  

1. Базовое измерение

Два одинаковых базовых измерения, которые показывают между собой нулевую разницу. На практике это не совсем возможно, потому что небольшие колебания в звуковом давлении от ДГ присутствуют всегда. Эта разница очень мала, но она есть.

 

2. Уровень окружающего шума

Во втором измерении, тест на отсутствие сигнала пройден. Здесь был измерен уровень окружающего шума, с такой же чувствительностью, как и во всех других измерениях.

 

3. Уровень окружающего шума (-70dB)

Те же условия, как и во втором измерении, но со скорректированной чувствительностью. Тут можно видеть возмущения в широком спектре частот.

 

4. 10мм ДСП

Наблюдается сильный резонанс на 140Hz силой в + 4 дБ, что практически сравнимо со звуковым давлением ДГ. Второй и третий резонансы на 350 и 600 Гц с более долгим временем затухания. И последний резонанс лежит в области  1200Hz.

 

5. 18мм ДСП

Для толстого листа ДСП, первый резонанс поднимается до 175 Гц, второй находится в области 500 Гц и почти сливается с третьим на 580 Гц.

Первый резонанс, по сравнению с 10мм листом ДСП несколько уменьшен, но резонанс на 580 Гц сильнее. Более высокочастотные резонансы на 820 и 1200 Гц так же немного усиливаются.

 

6. 18мм МДФ

Эта спектрограмма полностью идентична 18 мм ДСП. Все резонансы на тех же частотах и имеют одинаковую силу.

 

7. 18мм фанера Меранти

Фанера Меранти имеет примерно те же резонансы, как ДСП и МДФ. Первый резонанс смещается со 175 Гц до 205 Гц и имеет большее время затухания. Резонанс на 580 Гц зашкаливает за уровень +5dB и также затухает медленнее. Результаты измерений показали, что этот материал мало пригоден для качественных конструкций и не представляет интереса для дальнейших измерений.

 

8. 18мм березовая фанера

Эту спектрограмму стоит рассмотреть подробнее.

Первый резонанс сдвигается выше к 230 Гц и он слабее, чем у фанеры Меранти. Второй вернулся на 580 Гц, и увеличился до +10 дБ.

Резонансы в области 850 и 1200 Гц уменьшились до  -6 дБ.

Так же появились резонансы от 1930 до 1990 Гц с быстрым затуханием до -35 дБ. Резонансы ниже  20Гц демпфируются меньше, чем у ДСП или МДФ и имеют уровень от -15 до -25дБ.

 

9. 18мм МДФ с ребрами жесткости

Первый резонанс практически исчез, по сравнению с неукрепленным МДФ.

Сила резонанса на 175 Гц упала с -2 до-30 дБ.  Добавился новый резонанс на 300 Гц -10 дБ. Сильный резонанс на  580 Гц, достигавший +7 дБ для неукрепленной панели теперь, уменьшился до уровня -7 дБ. Остальные резонансы не изменились, и добавился еще один на 980 Гц, который слабее, чем другие, но имеет большее время затухания.

 

10. 18 мм березовая фанера с ребрами жесткости

Сильно ослаб первый резонанс на 230 Гц, который был на 18мм фанере без армирования. Теперь он сместился на 300Гц. Здесь нет такого заметного спада резонанса на этой частоте, как в случае армирования МДФ (с -2 до -20дБ).

Второго резонанса нет, но есть новый пик на 490 Гц с силой до -7 дБ. На более высоких частотах мы наблюдаем ту же картину, как и для МДФ.

 

11. «Сэндвич» 18 мм березовая фанера + 18мм ДСП

Панель существенно усиливается, и на графике мы видим сочетание двух различных характеристик. Первый резонанс практически ликвидирован. Сильный четвертый резонанс соответствует такому же более сильному резонансу на ДСП и березе в районе 580 Гц. Остальные резонансы вполне идентичны тем, что были на раздельных панелях из фанеры и ДСП.

 

12. «Сэндвич» 18мм ДСП + 18мм МДФ

ДСП и МДФ имеют те же характеристики. Первый резонанс передается в «сэндвич» от ранее рассмотренных раздельных панелей. Остальные резонансы в целом похожи на характеристики предыдущего «сэндвича» (измерение 11) Усиление затухания резонансов в варианте «сэндвич» примерно пропорционально увеличению толщины панели в целом, по сравнению с отдельными платами ДСП и МДФ по 18мм.

 

13. «Сэндвич» 18мм ДСП + пена + 18мм фанеры

Первый резонанс ослаблен по сравнению с подобным «сэндвичем» без пены. Это происходит за счет изоляции упругих слоев панелей друг от друга.

 

14. 18мм МДФ + 20мм бетона без ребер жесткости

На графике видно, что первый резонанс, присутствовавший на чистом МДФ на частоте 180 Гц, немного ослаб (-4дБ) и сместился на 130 Гц. Остальные более высокие по частоте резонансы значительно уменьшились. Бетон оказал сильное влияние на широкую область частот.

 

15. 18мм МДФ + 20мм бетона с ребрами жесткости

Первый резонанс значительно сократился. Остальные резонансы также ослабли, в среднем на 10 дБ. Однако из-за ребра жесткости появился сильный резонанс на 500Гц.

 

16. 18мм МДФ усиленный 20мм бетона и ребрами жесткости с демпфированием стекловатой, помещенной между ДГ и тестовой панелью.

Сильный резонанс на частоте 500Гц теперь существенно ослаб (примерно на -10дБ).

 

17. Плита стекловаты 80мм свободно лежащая в проеме тестового ящика.

Здесь показано, какие частоты гасит стекловолокно, помещенное между ДГ и измерительным микрофоном.

 

18. 18мм березовая фанера с ребрами жесткости  + 80мм стекловолокна

Превосходное демпфирование практически всех резонансов, дает картинку, которую хотелось бы иметь в действительности на многих высококачественных АС. Резонанс на 400-500Гц ослаб до -15дБ.

 

19. 18мм МДФ с приклеенным 10мм листом прессованной минеральной ваты

Ослабление резонансов легко обнаружить, по сравнению с чистым МДФ (измерение 6). Видно, что лист минеральной ваты в целом улучшает картину, однако ослабление самых сильных резонансов не очень велико – первого на 160 Гц -10дБ и второго на 600Гц всего на -2дБ.

 

20. Твердое лиственное дерево1 30мм без ребер жесткости

Представлены типичные результаты испытаний 30мм панелей  выполненных из массива твердых пород дерева. Первый резонанс на 210 Гц довольно сильный (до -9дБ) и имеет очень плохое затухание. Резонансов на более высоких частотах меньше и они гораздо слабее по интенсивности (в среднем до -23дБ)

 

21. 18мм МДФ + 7мм изомат2 без ребер жесткости

Первая резонансная частота по сравнению с чистым МДФ опустилась до 100Гц из-за увеличения массы тестовой панели. По интенсивности она достигает -5дБ. Резонансы на более высоких частотах затухают намного лучше по сравнению с МДФ (измерение 6).

 

22. 18мм МДФ + 7мм изомат с ребрами жесткости

Первая резонансная частота значительно поднялась со 100 до 400 Гц. Наблюдается значительное снижение ее интенсивности с -5дБ (для чистого МДФ) до -15дБ. Результат от применения такого сочетания материалов с применением укрепления очень продуктивен.

 

23. 18мм МДФ 11mm изомат  без ребер жесткости

Первая резонансная частота так же понижается за счет увеличения веса по сравнению с чистым МДФ. Этот резонанс теперь располагается на частоте 105 Гц и ослаблен до -12 дБ. Аналогично ослабли и резонансы на более высоких частотах по сравнению с измерением 6. В целом для 11мм изомата  результаты несколько лучше, чем для 7-и миллиметрового.

 

24. 18мм МДФ + 11мм изомат  с ребрами жесткости

Практически те же закономерности, что и с 7мм изоматом  в измерении 22. Результаты несколько улучшились засчет увеличения толщины и массы панели. Резонанс на 400 Гц имеет уровень  -17 дБ.

 

25. «Сэндвич» 18 мм МДФ + 11 мм изомат + 18мм березовый массив без ребер жесткости.

Практически «чистая» картинка, больше нет ярко выраженных резонансов. На всем частотном диапазоне ослабление резонансов составляет 35дБ и более. Присутствуют только четыре малых резонанса силой  -25 дБ на частотах 340, 700, 1K и 1,5 кГц. Из всех измерений только бетон (измерение 16) был немного лучше.

 

26.  „Сэндвич“ 18мм МДФ + 11мм изомат  + 18мм березовый массив с ребрами жесткости

Такое сочетание в значительной степени подобно измерению 24. В принципе, я ожидал некоторого улучшения результатов измерения 25.  Но мы получили несколько худший результат, который, вероятно, объясняется способом крепления тестовой панели.  

Наиболее вероятные причины ухудшений заключаются в следующем:

- внутренняя поверхность ящика изолируется от внешней слоем изомата;

- ребра жесткости внутри ящика должны быть приклеены непосредственно к внутренней поверхности исследуемой панели;

- во время тестовых измерений для крепления панели и ребер жесткости я мог применять только шурупы (без клея), чтобы иметь возможность проводить несколько измерений;

- внутренняя панель крепится с помощью ребра жесткости из березы;

- при этом основанием крепления является МДФ + изомат на шурупах;

- невозможно было закрепить дополнительно ребро жесткости на тестируемой панели, так как шурупы бы создали дополнительный путь передачи резонансов на внешний слой «сэндвича»

- это результат прямой передачи вибраций от внутреннего слоя наружу;

- изомат потерял свой изоляционный характер, резонансы распространились в обход него;

- внешний слой МДФ и изомат крепятся по краям и не полотно прилегают друг к другу в центре панели.

 

27. „Сэндвич“ 18мм МДФ + 11мм изомат  + 30мм слой твердого лиственного дерева с ребрами жесткости

Здесь 18мм слой березы заменен 30мм слоем твердолиственного дерева.

Такая комбинация имеет те же проблемы, что и выше (измерение 26).

Суммарно результат выглядит даже хуже предыдущего.

 

28. «Сэндвич» 18мм МДФ + 11мм изомат + 18мм березовый массив с ребрами жесткости + 80мм стекловаты

Это измерение должно было быть практически идентичным 26-ому измерению, так как было добавлено только стекловолокно. Можно заметить, что результат получился лучше, чем ожидалось. Во всем диапазоне затухание резонансов -35 дБ и только между 300-500 Гц присутствует 2 малых резонанса по уровню -27 дБ. Этот результат является самым лучшим из всех измерений, превосходя даже бетон. Улучшение результатов по сравнению с измерением 26 вероятно произошло за счет лучшей фиксации тестовой пластины. В последнем измерении для крепления панели применялись еще большие шурупы, чтобы обеспечить максимально возможную степень прижатия к корпусу тестового ящика.

 

Заключение  (по первой части)

В процессе измерений постоянно контролировалась тенденция улучшения/ухудшения результатов. Если результат с новым материалом оказывался хуже предыдущего, то экспериментов с ним дальше не проводилось.

Толщина панели оказывает большое влияние на уровень резонансов и их затухания -  чем толще панель, тем быстрее происходит затухание.

Первый резонанс уменьшается всегда за счет увеличения толщины и веса панели.

Изоляция пластин эластичной прослойкой (пена) оказывает отрицательное воздействие на общую картину резонансов. Поэтому я не стал продолжать с резиной и другими эластичными материалами в качестве прослойки.

„Сэндвич“ панели во всех случаях оказались лучше, чем материалы, из которых они были сделаны по отдельности.

Ребра жесткости, расположенные в центре тестовой панели оказывают существенное влияние на уменьшение первого резонанса.

Панели с конструкцией «сэндвич» с укреплением ребрами жесткости в итоге дают наилучшие результаты.

Превосходный результат дает применение ребер жесткости в сочетании с бетоном. Весь спектр частот, кроме области высоких заслуживает высокой оценки.

Демпфирование с целью снижения резонансов на высоких частотах позволяет подавить все резонансы до уровня не более -35 дБ.

На практике все эти мероприятия позволяют получить невероятно открытый без призвуков звук. Это можно хорошо заметить во всех паузах и перерывах сигнала.

 

Дополнения (по результатам второй части измерений)

Каждая комбинация материалов дает различное снижение пропускания звуковых частот.

Выбранное направление применения в конструкции стенок упругого изомата позволяет максимально приблизиться к нейтральным характеристикам тестового ящика из MDF и бетона (т.е. к идеалу).

Влияние мизерных резонансов, наблюдаемых на последних картинках, не удалось обнаружить в звучании музыки, они были обнаружены лишь с помощью чувствительного измерительного оборудования.

На данный момент я работаю над созданием первого прототипа для корпуса с применением изомата.3

Строительство подобных кабинетов настолько точный и сложный процесс, что для возможности применения таких конструкций на практике требуются дополнительные исследования в этой области.

 

Примечания (от переводчика) 

1 К сожалению, автор измерений не отметил, из какого именно дерева он изготовлял тестовые панели. Твердые лиственные породы: дуб, бук, граб, ясень, клён, саксаул и другие. Возможно, что с переходом от одной породы дерева к другой существенных изменений в наблюдаемой картинке не происходит.

Изомат masaplaat

2 Изомат (ISOMAT) – (не путать с туристическими ковриками!) прессованный звукоизолирующий композит. Обладает высокой удельной массой, жесткостью и твердостью. Дает отличные результаты при звукоизоляции листовой стали, алюминия , дерева и пластика.

3 Видимо, автор уже имеет удачные разработки, но по каким-то причинам они не опубликованы на сайте. Удалось найти несколько свежих конструкций корпусов АС голландцев с применением изомата.

 

Оригинал статьи можно посмотреть здесь: www.hsi-luidsprekers.nl Автор проделал поистине колоссальную и полезную работу! Если увидит.. Thanks!

Надеюсь, перевод статьи многим окажется полезным и с одной стороны поставит точки во множественных спорах, а с другой подтолкнет наших умельцев на новые увлекательные обсуждения, но уже предметные и с аргументациями.

 


Создать обсуждение статьи на форуме

*Название темы на форуме должно соответствовать виду: Заголовок статьи [обсуждение статьи]

Опубликовано: 07.07.10 | Просмотров: 32576 | [ + ]   [ - ]   | Печать


© DiyAudio Team, 2010-2012
Все материалы ресурса защищены законом об авторском праве.
При публичном использовании, цитировании или копировании обязательна ссылка на наш ресурс
с указанием конкретного имени или ника автора материала.

Рейтинг@Mail.ru
radionet