Открытое акустическое оформление (ОЯ): теория и практика расчета

Открытое акустическое оформление (ОЯ) — это тип конструкции акустической системы, при котором задняя сторона диффузора динамика не изолирована от передней акустически. Проще говоря, звук с тыльной стороны диффузора свободно распространяется в пространстве. Чаще всего для реализации ОЯ используется ящик параллелепипедной формы с перфорированной или полностью отсутствующей задней стенкой.

Наиболее распространенный вариант — ящик со сквозными отверстиями или без задней панели, где динамик крепится на передней стенке. Внутренний объем такой конструкции часто используется для размещения электроники, например, усилителя или радиоприемника. Акустическое действие открытого оформления аналогично действию бесконечного экрана. Важно отметить, что на частотную характеристику (АЧХ) сильнее всего влияет передняя панель (на которой закреплен динамик), тогда как боковые стенки оказывают минимальное воздействие. Именно поэтому не рекомендуется делать открытые корпуса слишком глубокими — лучше увеличивать площадь передней панели.

На рисунке ниже показаны различные частотные характеристики АС с открытым оформлением в зависимости от глубины ящика. Оптимальная глубина обычно составляет технологический запас (около 20% от глубины динамика), чтобы вклад боковых стенок в звуковое давление составлял всего 1-3 дБ.

Рис. 1. АЧХ динамика в открытом оформлении с разной глубиной боковых стенок (h).

Влияние глубины ящика на резонансную частоту

Несмотря на то, что боковые стенки влияют на АЧХ слабо, их наличие создает эффект снижения резонансной частоты ОЯ при увеличении глубины ящика. Это происходит из-за присоединения массы воздуха внутри корпуса к массе подвижной системы динамика. Резонансная частота в этом случае рассчитывается по формуле:

f₀₂ = f₀/√(1+ρ ∙ h ∙ S_эфф ∙ m₀) [1]

Где:

f₀₂ — резонансная частота в оформлении;
f₀ — резонансная частота динамика в свободном пространстве;
h — глубина оформления;
S_эфф — эффективная площадь диффузора;
m₀ — масса подвижной системы;
ρ — плотность воздуха.

Для получения нужной резонансной частоты глубину оформления можно вычислить по формуле:

h=((f₀²/f₀₂²)–1) ∙ (m₀/ρ ∙ S_эфф) [2]

Однако, если сделать оформление слишком глубоким, оно начнет работать как труба, резонирующая на низких частотах. Это нежелательно, так как вызывает появление пиков и провалов на АЧХ. Поэтому важно соблюдать баланс. Подробнее о других типах корпусов, например, лабиринтная акустическая система, можно узнать в соответствующей статье.

Рис. 2. АЧХ головки в ОЯ с задней стенкой из:

1 – без задней стенки; 2 – слой поролона 5 мм; 3 – слой поролона 15 мм;

4 – электрокартон 3 мм; 5 – электрокартон 3 мм со слоем поролона 20 мм;

Расчет размеров передней панели

Размеры передней панели желательно делать максимально большими, ограничиваясь только соображениями удобства. Площадь передней панели открытого акустического оформления с учетом глубины h определяется формулой:

S = 0,125c²/(f_гр.н.² ∙ φ²(Q)), [3]

Где:

φ(Q) — функция от добротности Q (при 1,93
f_гр.н. — нижняя граничная частота (определяется по графику на рис. 3);
Вместо f₀ подставляем f₀₂ из формулы [1].

Рис. 3. Зависимость f_гр.н. от Q.

При Q<1,93 формула упрощается:

S=0,125c²/(f₀₂² ∙ Q²) [4]

Если экран выполняется меньше расчетного, на нижней граничной частоте ожидается спад АЧХ:

N_дб=10lg(S’/S) [5]

где S — расчетная площадь, S’ — фактическая площадь экрана.

Роль задней стенки и перфорации

Задняя стенка в ОЯ часто служит для защиты электроники. Ее материал и толщина существенно влияют на АЧХ. На рис. 2 показаны характеристики АС с разными материалами задней стенки. Также важны размеры и количество перфораций. Степень перфорированности (отношение площади отверстий к площади стенки) должна быть не менее 0,1 для объемов 5 л и 0,15-0,20 для объемов менее 5 л.

Рис. 4. АЧХ головки в открытом оформлении с различным числом отверстий (n) диаметром 20 мм в задней стенке.

Конфигурация корпуса

Форма корпуса влияет на АЧХ в среднем диапазоне. Наиболее благоприятной формой является сфера, но из эстетических и конструктивных соображений чаще используют параллелепипед. Соотношение сторон лицевой панели и глубины часто выбирают так, чтобы избежать внутренних резонансов. О том, как работает плоский экран (щит), можно прочитать в отдельном материале.

Рис. 5. АЧХ головки в корпусах различной формы.

Пример расчета

Задача: Рассчитать размеры передней панели открытого оформления глубиной h=80 мм для головки 0,5ГД-37.

Находим граничную частоту: f_г.р.в.=(1,4 ∙ 343) / (3,14 ∙ 0,08)=1920 Гц.
Определяем резонансную частоту с учетом глубины по формуле [1]: f₀₂=315 / √(1+(1,3∙0,08∙3,14∙(0,04)²/(1,2∙10^-3))) Гц.
По графику на рис. 3 при Q=2,3 находим нижнюю граничную частоту: f_гр.в.≈260 Гц.
По графику на рис. 1 находим разность уровней пик-провал: N=1,0 дБ.
φ(Q)≈Q=2,3.
По формуле [2] определяем площадь передней панели: S=(0,125 ∙ 343²) / (260² ∙ 2,3²)=0,041 м². При спаде 6 дБ по формуле [5] находим S’=0,02 м².
Выбираем размер передней панели равным 0,17х0,12 м².