06 elektrodinamiČki zvuČniciaudiologs.com/ozrenbilan/06_zv.pdf · 2017-10-11 · prvi magneti...

23.9.2013.

1

ELEKTRODINAMIČKI ZVUČNICI

GRAĐA

PRINCIP RADA

KARAKTERISTIKE

Ozren Bilan 2011

1 Uvod u elektroakustiku 2 Fiziološka i psihološka akustika 3 Buka i karte buke 4 Akustika prostorija 5 Mikrofoni 6 Elektrodinamički zvučnici 7 Zvučnici u kutiji i filtri 8 Pojačala snage 9 Digitalna elektroakustika 10 Analogno i digitalno snimanje zvuka 11 Projektiranje sustava ozvučenja 12 Mjerenja u elektroakustici

Što je zvučnik? Zvučnik je elektromehanički pretvarač koji električnu energiju pomodu nekog, najčešde mehaničkog, sustava (npr. membranom) pretvara u akustičku energiju. Idealan zvučnik bi uz konstantnu električnu energiju proizvodio konstantan zvučni tlak u cijelom čujnom frekvencijskom području od 20 Hz do 20 kHz. Takav bi bio idealan širokopojasni zvučnik, kakvog se ne može ostvariti. Pretvorba električne energija u mehaničku najčešde se izvršava:

elektrodinamičkim, elektromagnetskim ili elektrostatskim principom.

Ostali principi su:

piezoelektrički ionofonski plazma

23.9.2013. Ozren Bilan 2

23.9.2013.

2

Čemu zvučnici služe?

Služe za četiri primarne namjene: Komuniciranje npr. …interfon, mobitel, računalo…

Ozvučenje …sustavi ozvučenja, dvorane, teatri…

Stvaranje zvuka …glazbeni instrumenti, sintisajzeri, računalo…

Reprodukcija zvuka …radio, kino, tv, glazbene linije, računalo, mobitel…

Iako postoje opdi zahtjevi za sve namjene, svaka od njih postavlja vlastite prioritete za karakteristike zvučnika. U zadanoj primjeni, mogude je da isti zvučnik izvršava više različitih zadada. U takvim slučajevima, prikladnost zvučnika za jednu ili više namjena može biti namjerno ograničena kako bi se olakšale druge primjene. 23.9.2013. Ozren Bilan 3

Zvučnici se dijele prema:

načinu pretvorbe energije • zvučnik s membranom (elektro-mehaničko-akustička pretvorba) • zvučnik bez membrane (elektro-akustička pretvorba) pobudi medija okoline • direktno zračenje (titrajuda membrana emitira direktno u prostor) • indirektno zračenje (zvučnik s trubom) pogonskom elementu • dinamički zvučnik (vodič se pokrede u magnetskom polju) • elektromagnetski zvučnik (izmjenična struja mijenja jakost magnetskog polja koje utitrava željeznu pločicu s membranom) • elektrostatski zvučnik (privlačenje i odbijanje elektrostatskih naboja) • piezoelektrički zvučnik (obrnuti piezoelektrički efekt) • magnetostriktivni zvučnik (obrnuti magnetostriktivni efekt) izvedbi • komercijalni (opda uporaba) • profesionalni (posebne kvalitete i namjene, po karakteristikama, pouzdanosti…) prijenosnom pojasu • širokopojasni (full range) • pojasni (sub bas, bas, bas srednjetonski, srednjetonski, srednje visokotonski, visokotonski i super visokotonski)

Hedlund Horn

MBL


23.9.2013.

3

ELEKTRODINAMIČKI ZVUČNIK Elektrodinamički zvučnik pretvara električnu energiju, koju mu zvučničkim vodovima predaje izlazno pojačalo snage, u akustičku energiju - nazivamo ga elektroakustičkim pretvaračem. Kao mehanički sustav služi konusna membrana s jednim stupnjem slobode što znači da se membrana može gibati samo u jednom smjeru prostora. Takvo gibanje omogudava izvedba mehaničkog spoja membrane s kudištem ili košarom zvučnika. Membrana je na širem dijelu, preko elastičnog ovjesa, spojena sa kudištem, a na užem dijelu centratorom. Na uži dio membrane spaja se nosač zavojnice, sa zavojnicom. Izvana je zavojnica zaštidena kupolom kako bi se spriječio ulaz prašine u procjep, a istovremeno se poboljšava i odziv zvučnika na višim frekvencijama.

Početak i kraj zavojnice spojen je s konektorima na košari. Zavojnica je uronjena u magnetsko polje prstenastog procjepa. Procjep tvore polni nastavci od mekog željeza pričvršćeni na magnet. Magnet i polni nastavci tvore magnetski krug zvuĉnika. Kod nekih zvučnika kroz centar polnog nastavka napravljen je odušak što pojačava cirkuliranje zraka koje hladi zavojnicu.



23.9.2013.

4

Nabroji sastavne dijelova zvučnika

A polni nastavak

B nosač sa zavojnicom

C magnet

D kratkospojni prsten

E kupola

F centrator

G elastični ovjes

H membrana

I košara


KAKO NASTAJE ZVUK ?

Ako iz izlaznog pojačala snage, preko priključnica, dovedemo struju u ritmu audio frekvencija oko zavojnice de se formirati promjenjivo magnetsko polje koje de reagirati s poljem stalnog magneta. Između polja stalnog magneta i promjenjivog polja u prostoru oko zavojnice javit de se privlačna ili odbojna sila F koju uzrokuje dovedena struja i. Sila F proporcionalna je magnetskoj indukciji magneta B, dužini zavojnice l te smjeru i jakosti struje i. Sila

F = Bil de potaknuti membranu na titranje, a membrana de potaknuti na titranje čestice okolnog zraka.

ZAVOJNICA

SPOJENA NA

MEMBRANU

IZVODI

ZAVOJNICE

STALNI

MAGNET

MEMBRANA

KUPOLA

Mehanički titraji membrane trenjem tvore u zraku zvučne valove.


23.9.2013.

5

Sila koja djeluje na membranu

Sila F koja djeluje na membranu zvučnika treba nadvladati tri različita tipa sila koje joj se suprotstavljaju. To su:

inercijske sile sile trenja elastične sile. Inercijske sile, proporcionalne akceleraciji,

određuje ukupna masa membrane i zraka koja titra zajedno s membranom.

Sile trenja, proporcionalne brzini, određuje unutrašnje trenje mehaničkog sustava membrane i trenje čestica zraka. - samo sile trenja daju zvuk!

Elastične sile, proporcionalne pomaku, ovise o krutosti cijelog sustava.

Od svih ovih sila samo sila trenja čestica zraka ostvaruje zvučne valove.


Elastične sile, proporcionalne pomaku, ovise o krutosti cijelog sustava.

Inercijske sile, proporcionalne

ubrzanju, određuje ukupna masa membrane i zraka koja titra zajedno s membranom.

Sile trenja, proporcionalne brzini,

određuje unutrašnje trenje mehaničkog sustava membrane i trenje čestica zraka. - samo sile trenja daju zvuk!

Od svih ovih sila samo sila trenja

čestica zraka ostvaruje zvučne valove.

ZRAĈNO OPTEREĆENJE MEMBRANE Membrana

Zrak djeluje elastično

Sila djeluje na membranu koja sabija

oprugu određene krutosti. Nakon

prestanka djelovanja sile elastična

opruga vraća membranu u početni

položaj.

Zraĉno opterećenje je reaktivno

Sila djeluje na masu koja dobiva

ubrzanje. Nakon prestanka djelovanja

sile masa usporava.

Inercija je reaktivna

Sila djeluje na masu, savladava trenje i

masa dobije brzinu. Nakon prestanka

djelovanja sile brzina mase jednaka je 0,

tj. masa se prestaje gibati. Sva energija

predana masi gubi se u obliku topline

uslijed trenja.

(Mehaničko trenje i električni otpor )

INERCIJA I MOMENT MASE MEMBRANE I

ZAVOJNICE

MEHANIĈKO TRENJE I ELEKTRIĈNI OTPOR


23.9.2013.

6

SASTAVNI DIJELOVI Centrator

Centrator djeluje elastično u smjeru gibanja, a kruto okomito na smjer gibanja. Drži zavojnicu točno u centru procjepa te onemogudavati njen ekscentrični položaj ili savijanje. Svaki pomak iz centra može dovesti do trenja namotaje žice pod naponom s metalnim polnim nastavcima te do pregaranja zvučnika i pojačala. Procjep se mora biti što uži kako bi magnetsko polje u njemu bilo što jače, a to istovremeno omogudava bolji prijelaz topline sa zavojnice na polne nastavke.

presjek centratora

s označenim smjerom gibanja


Zavojnica Zavojnica zvučnika najčešde se izrađuje od bakra koji je čvrst i ne puca prilikom savijanja. Bakar se vrlo lako lemi. Da bi se u magnetsko polje smjestilo više bakra, lakirana žica se hladno valja na kvadratni, pravokutni oblik za jednoslojne, a za višeslojne zavojnice na šesterokutni oblik. Zavojnice se izrađuju i od aluminija koji je lakši pa time povedava efikasnost zvučnika, ali je prednost bakra u tome što ima bolju vodljivost pa sa više namotaja povedava snagu zvučnika. Bakar se koristi za najvede električne snage, a aluminij za najviše efikasnosti. Aluminij je lomljiv i lako se lomi, ali je bolji za više frekvencije. Na zraku se čisti aluminij odmah presvuče slojem oksida pa aluminijske vodiče ne treba dodatno izolirati lakom.

pregorena zavojnica ispravna zavojnica 23.9.2013. Ozren Bilan 12

23.9.2013.

7

Nosač zavojnice Nosač zavojnice nosi zavojnicu u magnetskom polju procjepa i spaja zavojnicu s membranom i centratorom. Na visokim temperaturama mora zadržati koncentričnost i čvrstodu te se treba lako spajati lijepljenjem. Nosači zavojnica od impregniranog kartona su najlakši, ali i najmanje kruti te temperaturno nestabilni. Rijetko se koriste kod ozbiljnijih zvučnika. Aluminij je krut i čvrst te idealno odvodi toplinu sa zavojnice. Dobar je za reprodukciju vrlo visokih frekvencija jer se u njemu stvaraju vrtložne struje koje pridonose prigušenju niskih frekvencija. Nomex je sintetička masa vrlo visoke temperaturne izdržljivosti i vrlo lako se lijepi. Kapton je, također, sintetička masa najviše temperaturne izdržljivosti, ali se teško lijepi.

Nomex

Kapton


Magneti elektrodinamičkih zvučnika i polni nastavci

Za rad je potrebno jako magnetsko polje. Prvi magneti bili su legure Alnico (aluminij, nikal i kobalt). Postoji više tipova legura označenih brojevima od 1 do 5 prema postotku nečistoda koje slabe indukciju. Kasnije su se razvijali keramički magneti – nisu najbolje, ali su najrentabilnije rješenje. Magneti temeljem lantanida, samarijuma i kobalta te neodmij-čelik-borona su mnogo bolji, ali su 100 puta skuplji od keramičkih. Upotrebljavaju se samo za zvučnice, slušalice, mikrofone i visokotonske zvučnike. Zbog navedenih razloga vedina proizvođača zvučnika ne želi priznati da proizvode zvučnike sa keramičkim magnetima, pa im daju zvučna imena. Proizvođači zvučnika nikada ne proizvode niti projektiraju magnete, ved ih kupuju po katalogu proizvođača kao i polne nastavke koji su važan dio magnetskog kruga zvučnika.


23.9.2013.

8

Radna točka magneta

Realiziramo li u magnetskom krugu procjep, potreban za umetanje zavojnice, magnetski tok ga mora preskočiti - postupak nastoji demagnetizirati magnet. To predstavlja radni pravac zvučničkog magneta. Presjek radnog pravca i krivulje histereze predstavlja radnu točku zvučničkog magneta. Povučemo li okomice iz radne točke na B i H os dobit demo dvije točke BD i HD čiji produkt daje magnetsku energiju zvučnika. Povučemo li pravac iz ishodišta do radne točke dobit demo pravac nagiba BD/HD. Taj pravac predstavlja permeabilnost magneta te nam govori kako de se magnet ponašati pod utjecajem demagnetizacije, visokih struja zavojnice i visokih temperatura. Želimo li smanjiti utjecaj visokih temperatura na magnet potrebno je povedati nagib ovoga pravca npr. tako što demo magnet napraviti dužim ili demo primijeniti magnet vede permeabilnosti.

N - SJEVERNI POL

S JUŽNI POL


Linearnost elektromagnetskog pretvarača

Znamo da je sila koja pokreče membranu zvučnika proporcionalna produktu magnetske indukcije B, dužini zavojnice u magnetskom polju l i struji koja teče kroz zavojnicu i. Sila se najlakše može povedati motanjem žice u zavojnicu u nekoliko slojeva. Relacija važi bez obzira na geometriju procjepa. Za linearnost pretvorbe zvučnika važno je znati optimalnu razinu magnetske indukcije B. Ako je indukcija manja od optimalne, membrana postaje nedovoljno prigušena na rezonanciji pa akustički izlaz pada. Ako je indukcija veda od optimalne izlaz postaje pretjerano izdignut na višim frekvencijama. Magnetska indukcija u procjepu zvučnika, [T] treba biti optimalna za određenu konstrukciju.


23.9.2013.

9

Utjecaj temperature na magnet Povišena temperatura uvijek šteti osobinama magneta. Različiti magneti kao i različite geometrije istog tipa magneta, različito reagiraju na povišenu temperaturu. Pri reprodukciji glazbe i govora u nezahtijevnim uvjetima, keramički magneti su siguran izbor. Za više temperature obvezno se koristi legura ALNICO, a za najzahtjevnije primjene NdFeB, (neodmij-čelik-boron). Povišena temperatura uzrokuje povedanje gubitaka magnetskog toka, a djeluje i na ostale značajke zvučnika. Mehanička impedancija proporcionalna je sa efikasnošdu pretvaranja električne energije u mehaničku, a poznato je da ta impedancija pa i efikasnost opada porastom temperature. Magnetski ferofluid Magnetski ferofluidi su stabilne koloidne tekudine magnetskih čestica Fe3O4, promjera 0.01 mm, raspršenih u diesteru. Razvijeni su 1974. godine, a danas se proizvode u širokom rasporu viskoznosti. Cijena im je u odnosu na ostale sastavne dijelove zvučnika vrlo visoka. Ferofluid se “ulijeva” u magnetski procjep zvučnika u kojem ga magnetska indukcija drži u neposrednom kontaktu s polnim nastavcima i zavojnicom. Česti su kod visokotonskih zvučnika.


Ovjes membrane Postoje četiri osnovna tipa ovjesa membrane: Polukružna guma ili poliuretanska pjena ima vrlo visoku elastičnost za dugi hod membrane, ali zahtijeva vrlo preciznu izvedbu centratora za realiziranje linearnosti. To je najrašireniji tip ovjesa zvučnika male i srednje efikasnosti. Dvostruki polukružni impregnirani tekstil oblikom nabora i njihovim premazom pruža mogudnost točnog ugađanja potrebne elastičnosti. Višestruki nabori omogudavaju vrlo duge hodove membrane, ali uz nepoželjne rezonancije koje uzrokuju gubitke u akustičkom odzivu. Rezonancije se obično potiskuju viskoznim premazima. Membrana s višestrukim naborom na ovjesu iz jednog komada realizira vrlo kruti nelinearni ovjes koji rezultira visokofrekvencijskim rezonantnim vrhom. Izvedba je tipična za bas zvučnike najviše osjetljivosti neprimjerene za reprodukciju visoke vjernosti i monitor sustave.


23.9.2013.

10

Membrane Membrana je najvažnija komponenta zvučničke strukture. Ona povezuje strukturu koja emitira zvuk i zračno opteredenje sa zavojnicom uz djelovanje mehaničko akustičkog pretvarača. Efektivna površina membrane odgovara projekciji tj. površini baze. Efektivni promjer membrane je do 5 cm manji od promjera zvučnika. Ravni disk se ne može koristiti za generiranje zvuka osim ako nije izveden od poliestera ili specijalne sendvič konstrukcije. Smanjujemo li kut od 180, čvrstoda membrane postaje sve veda. Za emitiranje akustičke snaga od 35 mW vršna amplituda zvučnika s membranom od 250 mm, bit de oko 2 mm. Zvučnik promjera membrane 100 mm, za istu snagu treba vršni pomak membrane od 13 mm. S najboljim zvučnikom specijalno konstruiranim za duge hodove membrane, nije mogude ostvariti vršni pomak od +/ 13 mm (26 mm) bez visokih izobličenja. Ako malim zvučnikom ostvarujemo visoki zvučni tlak i niske frekvencije treba očekivati izobličenja. Za reprodukciju visoke vjernosti ili monitor primjenu donja granica promjera membrane iznosi 250 mm. Zvučnici promjera ispod 200 mm nisu upotrebljivi u sustavima najviše vjernosti ili monitor sustavima. Proizvođači često prikazuju frekvencijske odzive malih zvučnika linearno na niskim frekvencijama. Najčešde nije određeno pri kojoj glasnodi je taj odziv postignut. Razine glasnode pri kojima se takvi odzivi snimaju su toliko niske da se pri njima zvučnici uopde ne mogu koristiti za normalno slušanje.


Do 1950. godine najčešdi materijal za izradu membrana zvučnika bio je papir. Kako ne postoji točna analitička metoda analize ponašanja papirnatih membrana, izrada takvih membrana postala je tajna struke. Zato su se tražile druge metode izrade membrana pri kojima de se postupak i ponašanje membrane modi analitički kontrolirati.

Oko 1950. godine, razvojem termoplastičnih smola, to se i uspjelo te su se ti materijali do 1960. godine isključivo koristili u proizvodnji membrana.

Naknadno su proizvedene membrane od kevlara, a najnovije su membrane matrix kompozitnog akrilnog polimernog gela koji se sastoji od optimalnog omjera karbona i kevlara.

Najnovije membrane su ekstremno čvrste, vrlo lagane i imaju veliko unutrašnje prigušenje rezonancija. Postupak proizvodnje takvih membrana omogudava kontrolu debljine presjeka membrane u svakoj točci. Membrane ne proizvode proizvođači zvučnika, ved ih proizvode tvornice plastičnih masa te ih prodaju putem kataloga.

Vedina svjetskih zvučnika ima iste membrane, a izuzeci prilično koštaju. Pri tome mislimo na specijalne kompozitne sendvič konstrukcije membrana ili membrane od legura lakih metala, ali iako takvi modeli danas imaju najbolje značajke vjerojatno nikada nede dodi u masovnu uporabu.


23.9.2013.

11

Faktor gubitaka u ovisnosti o Youngovom modulu

mekan

ne istitrava

tvrd

istitrava

tvrd

ne

istitrava

TPX

XPP

X3P


Novi materijali TPX i XPP Projektirane su membrane zvučnika s vrlo velikom čvrstodom koju daju rebra za pojačanja. Položaj pojačanja i presjeci određeni su metodom analize konačnih elemenata Finite Element Analysis. Postupak izrade je injektiranje mješavine TPX i polipropilena. Koji ima veliko samoprigušenje.

XPP i X3P su optički prozirne membrane koje kombiniraju točnost i transparenciju zvuka tvrđih materijala s glatkodom i muzikalnošdu zvuka mekih membrana.


23.9.2013.

12

X3P optiĉki prozirna membrana

s poliuretanskim ovjesom


Tipovi materijala

Materijal Mehanički

Q

Yungov modul

X 108

Gustoća

omekšavanje

Polistiren 31 19 0.95 100C

Plastificirani polistiren

10 do 15 16 do 20 0.96 100C

Polietilen 10.5 10.5 0.94 120C

Polipropilen 11 15.5 0.89 120C

Polimetil penten

8 27.7 0.84 180C

Ekspandirani polistiren

3 0.02 0.016 100C

Filcani papir 5 3 0.1

Fenolni papir 15 10 0.25

14cm XPP bas srednjetonski zvučnik daje 89dB/1W na 40Hz u kutiji od samo 7,5 litara s korisnim odzivom ispod 30 Hz


23.9.2013.

13

Metalne membrane

Legure aluminija i ostali lagani metali idealni su materijali za izradu vrlo laganih i čvrstih membrana zbog stabilnosti, homogenosti i ponovljivosti izrade. Međutim, zbog malih unutrašnjih gubitaka trenja javljaju se višestruke rezonancije na višim frekvencijama.

Uzmimo za primjer aluminijsku membranu promjera 250 mm, mase 40 grama. Ta membrana pokazuje ekstremno linearni odziv, ali samo do frekvencije od 2 kHz. Nakon te frekvencije javljaju se intenzivne rezonancije čiji je Q faktor iznad 200. To znači da su amplitude rezonancija iznad 40 dB. Ako oštrim filterom od 24 dB po oktavi režemo frekvencijski odziv na 1 kHz, te rezonancije se ne mogu potisnuti, jer na 2 kHz još uvijek imaju amplitudu od 16 dB.

Reduciranjem promjera membrane rezonancije se potiskuju na više frekvencije, ali ni to u potpunosti ne rješava problem. U vrhunskim zvučnicima s membranama od aluminijskih legura ti se problemi rješavaju na drugi način; kompozitnim materijalima i elastičnim premazima te filterima u skretnici.


Oblici presjeka konusnih membrana

plitki ravni konus s rebrima za pojačanje, teoretski simulira ponašanje klipa, ali povedava masu i smanjuje efikasnost. duboki ravni konus svojom dubinom omogudava vrlo veliku krutost membrane, ali izaziva višu razinu Dopplerovog izobličenja plitki ravni konus ima manju krutost, ali dolazi do lomljenja membrane pri višim frekvencijama. Ovo je uz Kevlar – karbonsku membranu najbolji tip za monitor aplikacije i zvučničke kutije za reprodukciju visoke vjernosti. zakrivljena ili Nawi membrana omogudava bolji odziv na višim frekvencijama – tipično za kudne zvučnike u dvopojasnim kombinacijama ili instrumentalne zvučnike najviše osjetljivosti. Nedostatak je smanjena efikasnost na niskim frekvencijama.


23.9.2013.

14

Rezonancije i kavitacije konusnih membrana

Rezonancije zvučničkih membrana glavni su krivci za čujne koloracije elektrodinamičkih zvučnika. Rezonancije nastaju zbog toga što se konusne membrane izrađuju od vrlo laganih materijala male krutosti kako bi se postigla visoka efikasnost. Rezonantna frekvencija konusne membrane definirana je izrazom:

fn=h n [E/3 (1 - 2)]1/2/4 a2 h – debljina konusne membrane [m], n – korijen frekvencijske jednadžbe, E – Yungov modul [N/m2], - gustoda [kg/m3], - Poissonov odnos, a – promjer konusne membrane [m], n – broj čvornih linija u smjeru promjera. Drugi nedostatak konusne membrane je efekt kavitacije pri čemu je gornja granična frekvencija određena izrazom:

fn cos [E/ (1- 2)]1/2/ 2a gdje je - kut pri vrhu konusa Analiziramo li ove dvije jednadžbe, zaključit demo kako se uz mali kut konusa dobije vrlo visoka rezonantna frekvencija konusne membrane, ali tada uslijed kavitacija koje poprimaju maksimalnu vrijednost, frekvencijski odziv postaje vrlo nepravilan. Konusnom membranom teoretski nemogude dobiti linearan frekvencijski odziv. Te probleme rješava membrana u obliku diska. Najbolje zvuče dinamički zvučnici koji nemaju izražene koloracije uzrokovane rezonancijama membrane.


XPP srednjetonska membrana u obliku diska


Visokotonski zvučnik Murata s odzivom 100 000 Hz za potrebe visokotonske reprodukcije HD sustava

23.9.2013.

15

Lomljenje membrane Sva fizikalna objašnjenja zvučničkih membrana najčešde počinju teoretskom obradom zračenja beskonačno krutog klipa u ploči. Prijenos gibanja sa klipa na zraka frekvencijski ograničava rezonancija na niskim i impedancija zračenja na visokim frekvencijama. Zrak se opire gibanju i svakom povedavanju frekvencije opire se jednako povedanje otpora zračenje pa manje emitirajude površine mogu reproducirati više frekvencije. Pri tome membrane realnih zvučnika nisu beskonačno krute, što se u praksi aproksimira membranom od aluminija, titana ili dijamanta. Tako pri radu materijali koji pokazuju različite iznose krutosti i prenose vibracije različitim brzinama, pokazuje određene tipove savijanja plohe koja nazivamo modovima. Modove dijelimo na radijalne, koji se protežu od središta konusa prema rubovima, i koncentrične koje predstavlja skup valova koji se šire koncentrično od središta prema rubu. Radijalni modovi javljaju se na niskim frekvencijama i kako se frekvencija mijenja valovi se reflektiraju od oboda zvučnika i vradaju prema centru, formirajudi kompleksne valove sume i razlike. Tako stvaraju vrlo neujednačene frekvencijske odzive, za koje kažemo da nastaju zbog lomljenja membrane. Laserskim holografskim tehnikama modove možemo jasno prikazati

RADIJALNI MOD

SLOŽENI MOD

KONCENTRIČNI MOD


Prikaz koloracija na membrani

Vibracija papirnate membrane je nehomogenija jer je papir manje homogen od plastične mase. Na isti način se može uočiti pravilniji prikaz kevlar membrane u odnosu na plastičnu. Situacija se može poboljšati primjenom mehaničkog prilagođenja impedancije po rubu membrane. Rub je potrebno premazati materijalom koji de potpuno apsorbirati sve površinske valove koji putuju prema vanjskom rubu membrane. Tako nede postojati mogudnost njihove refleksije od ruba i vradanje, što uzrokuju nastajanje stojnih valova i rezonancije koje koloriraju zvuk. Primjenom ovih metoda i tehnologijom materijala realizirane su membrane koje posebnim konstrukcijama izbjegavaju stvaranje štetnih rezonancija.


23.9.2013.

16

Laserska analiza

Interferometrijom pomodu laserske

zrake dobiju se holografski prikazi

titranja membrane.

Analizom oblika titranja možemo zaključiti koji su

materijali povoljni.

Dijamantna kupola

Aluminijska kupola

Idealna kupola


25 mm visokotonska membrana od

svile s zavojnicom u ferofluidu

Eksplodirani prikaz


23.9.2013.

17

Kupola Centralna kupola ili poklopac zvučnika postavljaju se u cilju sprječavanja ulaza stranih tijela i prašine u procjep zvučničkog magneta. Kupola ventilira zavojnicu pa tako poboljšava hlađenje. Na visokim frekvencijama pri kojima membrana prestaje emitirati zvuk, kupola povezana sa zavojnicom direktno emitira visoke frekvencije. Kupola pojačava i strukturno čvrstodu membrane. Ako je kupola vedeg promjera od promjera zavojnice, uzrok je prigušenje kritičnih vibracija membrane. Metalna kupola hladi zavojnicu.

Spojni vodovi Zavojnica zvučnika na svojim krajevima ima spojne vodove koji se završavaju na terminalima zvučnika. Zavojnica se izrađuje od bakrene ili aluminijske žice punog presjeka. Takve žice nisu elastične te je spoj zavojnice potrebno napraviti sa dva vrlo savitljiva spojna voda koji nede ometati kretanje zavojnice i membrane. Spojni vodovi ne smiju se ni prekidati savijanjem pa se najčešde izvode od savitljive bakrene pletenice vrlo malog presjeka. Spoj ovih vodova izvodi se lemljenjem na tijelu nosača zavojnice ili tijelu membrane. Ako je zavojnica izrađena od aluminijske žice, spajanje s fleksibilnom bakrenom pletenicom izvodi se točkastim varenjem. Na mjestima prijelaza obično se primjenjuje viskozno prigušenje ili se spoj dodatno učvršduje ljepilom. Spojni vodovi su jedan od najkritičnijih dijelova zvučnika te su konstrukcijski element dinamičkog zvučnika koji često zakaže.


Ljepila

Svi dijelovi zvučnika spajaju se lijepljenjem. Ti dijelovi za vrijeme rada zvučnika pri punoj snazi mogu postidi temperaturu do 300C te zbog toga sva primijenjena lijepila moraju biti izuzetne temperaturne stabilnosti. Ljepila ne smiju kristalizirati pri visokim temperaturama niti mijenjati svoje značajke. Ljepila koja se najčešde primjenjuju su dvokomponentna epoksi ljepila, cijanoakrilatna te termoljepila. Iako cijanoakrilatna ljepila imaju dobru adheziju i vrlo brzo spajaju, ipak pokazuju tendenciju kristaliziranja pri visokim temperaturama. Sustav nosača zavojnice i zavojnice posebno se termički obrađuje. Nakon lijepljenja ovih dijelova, koji pri radu trpe najviše temperature, sustav se polagano dovodi na maksimalnu radnu temperaturu u posebnoj pedi. Kada se dosegne maksimalna radna temperatura slijepljeni dijelovi peku se nekoliko sati kako bi ishlapili svi plinovi koji se mogu pojaviti. Takve termički obrađene zavojnice imaju najvedu pouzdanost pri radu.


23.9.2013.

18

Kudište ili košara zvučnika Kudište zvučnika redovito je izrađeno od metala. Nekvalitetna kudišta izrađena su od štancanog lima i nemaju dovoljnu krutost i inertnost pri reprodukciji jakih bas tranzijenata. Kvalitetnija su kudišta lijevana od aluminija ili magnezija pod tlakom. Takva kudišta, osim velike krutosti, imaju i sklonost gušenja rezonantnih pojava. U principu, kudište treba biti vrlo kruto i ne smije odzvanjati.

Kućište zvučnika redovito je izrađeno od metala. Nekvalitetna kućišta izrađena su od štancanog lima i nemaju dovoljnu krutost i inertnost pri reprodukciji jakih bas tranzijenata. Kvalitetnija su kućišta lijevana od aluminija ili magnezija pod tlakom. Takva kućišta, osim velike krutosti, imaju i sklonost gušenja rezonantnih pojava. U principu, kućište treba biti vrlo kruto i ne smije odzvanjati.


OSJETLJIVOST I EFIKASNOST ELEKTRODINAMIČKIH ZVUČNIKA

Osjetljivost i efikasnost treba razlikovati. Referentna efikasnost ili korisnost je funkcija elektromehaničkih značajki zvučnika i predstavlja akustički izlaz na niskim frekvencijama pri kojima je širenje zvuka jednoliko na svim frekvencijama. Efikasnost se izražava omjerom izlazne akustičke i ulazne električne snage (korisnost). Ako dobijemo 2 W akustičke snage, a uložili smo 100 W električne snage korisnost iznosi 0.02. Pomnožimo li tu vrijednost sa 100 dobijemo korisnost u postotcima tj. 2%, a ako izračunamo 10 log od 0.02 dobijemo korisnost u decibelima tj. –17dB. Osjetljivost, za razliku od efikasnosti, predstavlja izmjereni zvučni tlak na osi zvučnika pri zadanoj ulaznoj snazi i udaljenosti od osi. Najčešde se koristi ulazna snaga od 1W i udaljenosti od 1m. Izmjerena osjetljivost može se, ali ne mora podudarati s efikasnosti.


23.9.2013.

19

Zvučnici niske i srednje osjetljivosti

Osnovna upotreba im je za bas zvučnike u potpuno zatvorenim ili bas refleks kutijama, u monitor i subwoofer zvučničkim kutijama te za visoku vjernost. Zato im je neophodna značajka veliki pomak membrane na niskim frekvencijama, vrlo mala izobličenja te linearan odziv i na gornjem dijelu spektra kako bi se pravilno ukrštavali sa srednjetonskim i visokotonskim zvučnicima. Osjetljivost ovih zvučnika je od 80 do 89 dB (niska osjetljivost), a do 95 dB za zvučnike srednje osjetljivosti. Referentna efikasnost im je od 0.5 do 2%. Zavojnica se izrađuje od bakrene žice i obvezno je duža od magnetskog procjepa kako bi se realizirala maksimalna linearnost. Nosač zavojnice izrađuje se od aluminija, kaptona, nomexa ili kompozitnih materijala kako bi imala krutost i dobru vodljivost topline. Najviše se koristi kapton. Centrator treba svojom konstrukcijom onemoguditi pomake membrane bez narinutog signala i nestabilnosti pri maksimalnom signalu te omoguditi niska izobličenja i brzi tranzijentni odziv., Membrane su konusne, ravne, ili s rebrima i pojačanjima, relativno visoke mase za visok akustički tlak na niskim frekvencijama te mala izobličenja. Neke se membrane premazuju sa premazima za prigušenje te im se dodaju prstenovi za povedanje mase, a nekima se s unutrašnje strane lijepe gumeni utezi, također, za povedanje mase. Materijal za izradu membrana je papir, propilen, karbonat, kevlar, akrilni polimer gel i njihove mješavine. Elastični ovjes vanjskog ruba membrane najčešde je izveden jednostrukim polukružnim gume ili poliuretanske pjene koji omogudava vrlo veliku elastičnost i dugi pomak Kupola je napravljena od sličnog materijala kao i membrana za glatki visokofrekvencijski odziv.


Zvučnici visoke osjetljivosti

Ovi zvučnici se najviše koriste za scenska ozvučenja primjenom bas-refleks kutija i kutija s lijevkom. Tipične vrijednosti osjetljivosti su u granicama od 96 do 100 dB, a referentna efikasnost im je do 6 %. Zavojnice su im izrađene od bakrene žice, najčešde plosnate ili šesterokutnog presjeka, kako bi što veda zapremina žice bila u što manjem procjepu. Zavojnica je malo viša od procjepa, ali znatno manje, nego kod zvučnika niske i srednje osjetljivosti. Uobičajen je vrlo velik promjer zavojnice. Nosač zavojnice izrađuje se od aluminija, Kaptona ili Nomexa. Centrator treba svojom konstrukcijom onemoguditi pomake membrane bez narinutog signala i nestabilnosti pri maksimalnom signalu te omoguditi niska izobličenja i brzi tranzijentni odziv. Membrane su konusne, ravne s rebrima ili pojačanjima, za visoki akustički tlak na niskim frekvencijama te mala izobličenja, ali uz iste materijale uvijek manje mase, nego zvučnici srednje osjetljivosti. Ovjes je višestruki polukružni, optimalne krutosti, što se postiže promjenom dubine nabora, radijusom tkanine i primjenom različitog, često ljepljivog, premaza za prigušenje titranja ovjesa. Kupola poklopca zavojnice redovito je izrađena od istog materijala kao i membrana.


23.9.2013.

20

Zvučnici najviše osjetljivosti

U principu nisu pogodni za reprodukciju visoke vjernosti niti monitor aplikacije. Osnovna im je primjena u ozvučenjima za muzičke instrumente npr. električne gitare, najčešde u zvučničkim sustavima s lijevkom. Linearni pomak membrane maksimalno je ograničen, kako bi se realizirala velika osjetljivost tipične vrijednosti do 110 dB, referentne efikasnosti do 10 %. Zavojnice su manje od procjepa ili iste kao i visina procjepa što omogudava visoku osjetljivost uz gubitak linearnosti. Izrađene su pretežno od aluminija ili bakra. Nosač zavojnice izrađuje se od papira, aluminija, Nomexa ili Kaptona. Centrator im je vrlo krut za visoku rezonanciju. Membrane imaju papirnati zakrivljeni konus za bolju reprodukciju viših frekvencija. Rub membrane prelazi direktno u višestruki polukružni ovjes, također, za poboljšani odziv viših frekvencija. Kupola poklopca zavojnice izrađuje se od laganog papira ili aluminija kako bi se postigla minimalna masa i poboljšani odziv na višim frekvencijama. Ponekad se aluminijski poklopac direktno nastavlja na aluminijski nosač membrane pa služi i kao hladilo.


Kritički pogled na osjetljivost

Osjetljivost zvučnika specificiramo u obliku razine zvučnog tlaka na udaljenosti od 1 m pri ulaznoj pobudi od 1 W. Ulazna snaga je napon2/otpor.

Zvučnici nemaju istu impedanciju na svim frekvencijama pa de specifikacija osjetljivosti vrijediti samo na jednoj ili nekoliko frekvencija, a nede vrijediti na svim ostalim.

Prikazan je primjer modula impedancije 8 ohmskog zvučnika koji ima vrijednost modula od 8 ohma samo na četiri frekvencije. Na frekvenciji ispod 100 Hz vrijednost modula je samo 3 ohma pa de se pri konstantnoj naponskoj pobudi na istoj frekvenciji od pojačala zahtijevati 2,7 puta veda snaga.

Sasvim je očito kako procjena osjetljivosti pri konstantnoj naponskoj pobudi ne opisuje dobro stvarno stanje. Kako pojačalo snage na izlazu daje konstantni napon na dvostruko manjoj impedanciji snaga de se podvostručiti itd… Dakle, pojačalo treba biti optimizirano za kratkotrajno davanje vrlo velike struje na izlazu.

Frekvencija [Hz]

Impedancija

[ohm

]

Snaga na zvučniku pri

pobudi od 2,83V

2,832V/8 Ω = 1 W

Nazivna imp = 8 ohm

Impedancija = 4 ohm


23.9.2013.

21

ODNOS ZAVOJNICE I MAGNETSKOG PROCJEPA

Zavojnica duža od magnetskog procjepa

Ova izvedba omogudava linearniji pomak membrane, ali zahtijeva vrlo preciznu izvedbu ovjesnih elemenata membrane. Osim toga, zavojnica je teža, ima dodatni omski otpor i nije cijelim dijelom uronjena u magnetsko polje pa ovakav zvučnik ima nisku ili srednju efikasnost. Pored toga, zavojnica de se mnogo zagrijavati jer nije u blizini metalnih dijelova koji imaju funkciju hladila. Često se koristi aluminijski nosač zavojnice za snage preko 100 W. Za manje snage prije se najviše koristio Nomex, a danas se najviše koristi Kapton.


Zavojnica krada od magnetskog procjepa

Kod ovakve izvedbe zavojnica je kratka, lagana te se brzo i lako hladi. Zavojnica se stalno krede unutar procjepa pa je odziv zvučnika linearan. Omski otpor zavojnice je minimalan, a nosač zavojnice je redovito Kapton ili aluminij. Mana ove izvedbe očituje se u visokoj cijeni dubokog procjepa.


23.9.2013.

22

Zavojnica i magnetski procjep iste visine

Ovakav zvučnik ima maksimalnu efikasnost jer je kratka i lagana zavojnica potpuno unutar magnetskog toka magnetskog procjepa. Međutim, niskofrekvencijska linearnost je minimalna jer je omogudava samo rasipni tok. Ovakvi zvučnici nisu primjenjivi za reprodukcije visoke vjernosti zbog visokih izobličenja. Nosač zavojnice najčešde je aluminij.


DINAMIČKO SAŽIMANJE ZVUČNIKA

Zvučnik bi se trebao jednako odazivati kako na pobudu s 1 W, tako i na pobudu sa 100 W, jedina razlika trebala bi biti 20 dB razine. U stvarnosti to nije slučaj jer dolazi do dinamičkog sažimanja koje uzrokuje porast temperature. Viša temperatura uzrokuje porast otpora zavojnice pa dinamičko (termičko) sažimanje postaje izraženije. Proizvođači redovito ne daju te podatke jer je dinamičko sažimanje jedan od najboljih pokazatelja kvalitete zvučnika. Zvučnik vrhunske kvalitete pokazuje 1-2 dB dinamičkog sažimanja, dok nisu rijetki podaci od 3 i više dB sažimanja kod vrlo poznatih i cijenjenih proizvođača zvučnika. 3 dB dinamičkog sažimanja znači da 100 W zvučnik sa 100 W električne snage daje glasnodu koju bi trebao dati sa 50 W. Pri snažnim impulsnim pobudama sažimanje se subjektivno akustički otkriva kao hrapav zvuk jer zvučnik ne može slijediti dinamiku signala. Promjena otpora zavojnice računa se prema relaciji:

RT = Rt [1+(TT Tt)]

gdje je koeficijent za bakar i aluminij 0.004 po stupnju Celzijusa. TT je viša temperatura, Tt niža temperatura, RT otpor na višoj temperaturi, a Rt otpor na nižoj temperaturi.


23.9.2013.

23

Temperatura mijenja električni Q faktor

Sobna temperatura je obično oko 20C, a uobičajena vrijednost temperature zavojnice pri radu može dosedi 200 C. Maksimalne temperature su oko 300C i pri njima se počinju razarati lijepljeni spojevi. Uvrstimo li ove temperature u relaciju dobije se da zavojnica omskog otpora 6 , pri radnoj temperaturi ima omski otpor 10,3 , a pri maksimalnoj temperaturi preko 12 . Proizlaze zaključci - dovođenjem zvučnika na radnu temperaturu: Znatno se povedava istosmjerni otpor zavojnice Bududi da je efikasnost zvučnika obrnuto proporcionalna otporu zavojnice, efikasnost zvučnika de se smanjiti, te de emitirana akustička snaga biti manja Naponska osjetljivost se smanjuje Povedava se električni Q faktor, što smanjuje elektromagnetsko prigušenje pa dolazi do slabljenja frekvencijskog odziva na niskim frekvencijama.

povišenjem temperature mijenja se i električni Q faktor zvučnika !

Električni i ukupni Q faktor je polazište za proračun zvučničke kutije. Ako ne uzmemo u obzir promjenu Q faktora uslijed promjene temperature nemogude je točno projektirati kutiju. Jedan od načina reduciranja dinamičkog sažimanja je pojačano odvođenje topline i minimiziranje porasta temperature. Toplina se pojačano odvodi vedom površinom zavojnice, manjom udaljenosti od metalnih masa procjepa i otvorom za provjetravanje zavojnice kroz središte centralnog polnog nastavka. Međutim, to ni u kojem slučaju ne znači da je promjer zavojnice mjera kvalitete zvučnika.


Vršna akceleracija sustava

Titrajna masa jedne bas zvučničke membrane i zavojnice je 20.5 grama, snaga je 50 W, a BL faktor iznosi 4.34. Onda lako izračunamo vršnu akceleraciju membrane pri pobudi punom snagom.

avršno = 21/2 aefektivno

P=I2R F=BIL F=ma

av= (2P/R)1/2BL/m= = (250/4)1/2 4.34/0.0205=

= 1058.54 m/s2

Vršna akceleracija basa iznosi više od 100 gravitacija. Tako velike akceleracije rezultiraju velikim silama, koje mogu dovesti do pomaka zvučnika pri vršnim pobudama. Ta pojava je posebno izražena ako je zvučnik postavljen na naravnu podlogu. 23.9.2013. Ozren Bilan 46

23.9.2013.

24

FREKVENCIJSKI ODZIV I Q FAKTOR Q faktor je je mjera dobrote. Definiran je relacijom:

Qts = ( f2 f1 ) f0 Gdje su f2 i f1 gornja i donja granična frekvencija s vrijednostima impedancije od –3 dB prema vrijednostima impedancije na frekvenciji f0 rezonancije zvučnika. Optimalna zapremina zvučničke kutije je funkcija vrijednosti Qts, ali joj nije upravo proporcionalna. Potrebna zapremina zvučničke kutije je veda što je Qts vedi. Q faktor ili faktor kvalitete je omjer reaktivne energije i rezistivne ili prigušujude energije. Visoki Q faktor znači veliki izlaz iz sustava i uski istitravajudi odziv. Niski Q faktor znači mali izlaz iz sustava i široki i napeti neistitravajudi odziv. Q faktor je odlučujuda veličina koja određuje u kakvu de se kutiju zvučnik ugraditi i kakvo de se prilagođenje izabrati. Proizvođači zvučnika najčešde definiraju Q faktore zvučnika ili kao QT što je ukupni Q faktor ili odvojeno kao Qe i Qm tj. električni i mehanički Q faktor. U drugom slučaju ukupni Q faktor dobit demo tako da produkt električnog i mehaničkog faktora podijelimo njihovom sumom. Svaku rezonanaciju možemo opisati pomodu Q faktora. Prag osjeta rezonancije u gluhoj komori:

32 perioda sinusa na 200Hz

Ulazni signal

izlaz

izlaz

izlaz 23.9.2013. Ozren Bilan 47

MODUL IMPEDANCIJE ZVUČNIKA

Zvučnici, bilo kao pojedinačne komponente ili kao složeni sustavi specificiraju se nazivnom impedancijom u omima. Razne norme DIN, IEC i druge predlažu da se impedancija ne smije mijenjati više od 20 % od nazivne vrijednosti, što znači da 8 omski zvučnik ne bi smio imati vrijednost manju od 6.4 , a 4 omski od 3.2 .

U praksi su vrlo rijetki zvučnici čija je impedancija linearna, ved se nailazi na vrlo nelinearne vrijednosti koje uzrokuju reaktivne komponente

Vrh na krivulji modula impedancije odgovara rezonantnoj frekvenciji zvučnika u danoj kutiji. Definiran je pomodu titrajne mase membrane i ansambla zavojnice, elastičnosti ovjesa zvučnika i elastičnosti zraka i unutar zvučničke kutije.

Fazni kut prolazi kroz nulu upravo u intervalu rezonancije sustava. Ispod rezonantne frekvencije fazni kut je definiran korespodentnom komplementarnom komponentom reaktivnog opteredenja. To područje nazivamo područje rada zvučnika upravljano krutošću. Iznad rezonancije, zvučnik je u području kojim upravlja masa zvučnika I pokazuje induktivnu ulaznu impedanciju reda veličine 40 mH. Daljnjim povedanjem frekvencije vrijednost se krede prema istosmjernom otporu zavojnice reda veličine 6.5 .


23.9.2013.

25

Daljnjim porastom frekvencije impedancija počinje rasti 6 dB po oktavi zbog induktiviteta zavojnice koji je tipične vrijednosti 1 mH. Reaktivne komponente električne impedancije zvučnika izazivaju višestruko povedane zahtjeve pojačalu snage u odnosu na rad sa čistim omskim otporom.

Porastom faktora snage raste disipacija izlaznog stupnja i dolazi u pitanje stabilnost rada pojačala. Kombinira li se nekoliko zvučnika u sustav postaje nužna realizacija pasivne skretnice koja de dijeliti spektar između niskotonskog, srednjetonskog i visokotonskog zvučnika.

Sinusoidal 27. 09. 02 12:16:59

CH A Ohm Unsmoothed Stepped Delay [ms] 0.000 Dist Rise [dB] 30.00 File: modul bez mase.sini 10 100 1k 10k 20k 10 Hz

100.0

Ohm

180.0

Deg

80.0 108.0

60.0 36.0

40.0 -36.0

20.0 -108.0

0.0 -180.0

CLIO


TITRAJNA MASA ZVUČNIKA

Rezonanciju zvučnika određuje titrajna masa zvučnika koju čine masa membrane, masa nosača zavojnice, masa zavojnice i masa zraka s obje strane membrane te elastičnost ovjesa.

Poznajemo li rezonanciju zvučnika fS1, a nju je lako nadi jer odgovara maksimumu modula impedancije, lako možemo odrediti i titrajnu masu.

Zvučniku za poznati iznos povedamo masu. Npr. zavojnicu opteretimo utegom od 100 grama ( m2 ) te sa povedanom masom odredimo novu rezonantnu frekvenciju fS2.

Titrajna masa zvučnika je onda:

M TITR. ZV. = m2 / (fS1/fS2)2 + 1


23.9.2013.

26

ELASTIČNOST OVJESA

Uz poznatu titrajnu masu zvučnika i rezonantnu frekvenciju lako možemo odrediti elastičnost ovjesa zvučnika relacijom:

CS = ¼ 2 fS2 M TITR. ZV.

Elastičnost ovjesa omogudava nalaženje volumena zraka koji ima istu elastičnost kao i elastičnost ovjesa.

Tu zapreminu nazivamo ekvivalentna zapremina zvučnika VAS i određujemo ju relacijom:

VAS = oc2CS


THIELE – SMALL ZNAČAJKE I ELEKTROAKUSTIČKE ANALOGIJE

Nevill Thiele je 1961. godine objavio članak u kojem je obradio teoriju zvučničkih sustava polazedi od električne analogne sheme zvučnika kojeg je promatrao kao visoko propusni filter i zaključio kako se pri analizi zvučnika mogu primijeniti metode suvremene sinteze mreža. Ovo zapažanje omogudava da nakon odabira prijenosne funkcije zvučničkog sustava možemo slijediti logičku proceduru specificiranjem zvučnika i značajki kutije.

Theileovu teoriju nadopunio je Richard H. Small. Po njima se parametri elektrodinamičkih zvučnika nazivaju Thiele-Small parametri.


23.9.2013.

27

FS, VAS, QT

Sve osobine električnih i mehaničkih elemenata zvučnika možemo predstaviti sa tri osnovna Thiele-Smallova parametra, a to su: rezonantna frekvencija zvučnika u zraku (fS), ekvivalentna zapremina zraka koja ima istu elastičnost kao i ovjes zvučnika (VAS) i ukupni faktor dobrote zvučnika (QT). Pored osnovnih postoje mnogi drugi parametri koji olakšavaju pristup analizi i sintezi zvučničkih sustava.

Ako želimo analizirati ili konstruirati zvučnički sustav, temeljno

polazište analize i sinteze je poznavanje navedenih parametara. Gotovo svi proizvođači zvučnika specificiraju T–S parametre, ali ih je često potrebno točno odrediti, jer su postupci različiti.


ELEKTROAKUSTIČKE ANALOGIJE

Vučnici sadrže električne, magnetske i mehaničke elemente. Nemogude je izvesti bilo koje mjerenje zvučničkih parametara, a da se u obzir ne uzmu sve tri navedene komponente. U praksi se često, da bi se olakšala analiza zvučnika, mehaničke i električne komponente opisuju pomodu električnih tj. kao veličine analogne električnima te se prema tome sve komponente mogu staviti u jednostavni električni krug. Akustičke i mehaničke komponente predstavljaju se pomodu konstantnih vrijednosti otpornika, induktiviteta i kapaciteta, a bududi da potonji ovise o frekvenciji ne bi se smjeli izlagati bilo kakvom valnom gibanju kako bi analogna pretvorba bila točnija. Sila koja djeluje u mehaničkom sistemu analogna je naponu (EMS) u električnom sistemu. Ako ne tijelo koje miruje djelujemo određenom silom tijelo de se pomaknuti i taj pomak je analogan pomaku elektrona u vodiču kada ga priključim na napon; zbog toga je brzina u mehaničkom sustavu analogna struji (gibanju elektrona) u električnom sustavu (krugu). Masa tijela predstavlja količinu materije od koje se tijelo sastoji. Inercija mase suprotstavlja se bilo kakvoj promjeni brzine baš kao što se induktivitet, u električnom krugu, suprotstavlja bilo kakvoj promjeni struje iz čega proizlazi da je mehanička masa analogna električnom induktivitetu. 23.9.2013. Ozren Bilan 54

23.9.2013.

28

Analogije

Kada masa M postigne brzinu zbog djelovanja sile F u njoj se pohranjuje energija E = ½ Mv2

sličan je izraz za energiju u električnom krugu E=1/2 LI2

Ako se masa (uz zanemarenje trenja) ubrzava pod utjecajem sile F zakon gibanja (drugi Newtonov zakon) glasi:

F = Ma ili F = M prva derivacija brzine tj. F = M dv/dt

Slično je u električnom krugu: U=L prva derivacija struje tj. U = L di/dt

Prethodne jednadžbe za mehanički i električni sustav su identičnog oblika pa možemo zaključiti: Sila je analogna naponu Masa je analogna induktivitetu Brzina je analogna struji


Analogije Elastičnost mehaničkog sustava je Cm=D/F gdje je D pomak, a F sila. Elastičnost je ekvivalentna sa kapacitetom ima svojstvo da pohranjuje energiju pri djelovanju sile. Kada prestane djelovanje sile pohranjena energija se oslobađa što je slično pražnjenju kondenzatora nakon što otklonimo izvor napona. Ako opruga krutosti S ima jedan kraj učvršden, a na drugi djelujemo silom F koja uzrokuje pomak D iznos sile je F=SD, a bududi da je krutost recipročna vrijednost elastičnosti Cm možemo pisati

F = D / Cm Ako, pod djelovanjem napona U, kondenzator kapaciteta C napunimo sa određenom količinom naboja Q dobijemo sličnu relaciju:

U = Q / C

Ove jednadžbe ponovno imaju identičan oblik pa zaključujemo: Pomak je analogan količini naboja Elastičnost je analogna kapacitetu Sila je proporcionalna brzini i mehaničkom otporu baš kao što je napon proporcionalan struji i električnom otporu


23.9.2013.

29

Pojednostavljena ekvivalentna električna mreža zvučnika

Istosmjerni otpor zavojnice, RE, se pri mjerenjima se zanemaruje tako da ekvivalentna mreža zvučnika postaje paralelni titrajni krug. Poznavanjem parametara titrajnog kruga doznajemo parametre zvučnika. Dva najvažnija parametra zvučnika su rezonantna frekvencija fS i Q faktor. Jednakost kapacitivne i induktivne susceptancije karakterizira paralelnu ili strujnu rezonanciju kada se paralelni titrajni krug ponaša kao da je priključen aktivni otpor.

BL = BC

1/L = C ili 2LC = 1 ; = 2f Rezonantna frekvencija titrajnog kruga:

f0 = 1/ 2 (LC)1/2

Primijenimo li prethodnu jednadžbu na električnu mrežu zvučnika, a zanemarimo istosmjerni otpor zavojnice, dobijemo izraz za rezonantnu frekvenciju zvučnika.

fS = 1/2 Q faktor definira omjer reaktivne struje pri rezonanciji IL0=IC0 u odnosu na ukupnu struju I0.

Q = IL0 / I0

Bududi da su induktivna i kapacitivna struja po iznosu jednake, a suprotnog smjera one se poništavaju pa je ukupna struja I0=UG gdje je G recipročna vrijednost električnog otpora ili električna vodljivost.

Q = IC0 / UG = U0C / UG = 0CR Q faktor zvučnika onda je:

Q = S Cmes Res 23.9.2013. Ozren Bilan 57

MJERENJE ZNAČAJKI ZVUČNIKA

Mjerenje modula impedancije Pri mjerenju modula impedancije analitičkom metodom zvučnik se montira na standardnu prednju ploču prema IEC-u te se pobuđuje konstantnom strujom preko otpora Rg = 3 putem kompresora. Mjerna struja je 100 mA, a modul impedancije se snima u području od 20 Hz do 20 kHz. Dimenzije su: A = 135 cm, B = 165 cm, C = 22.5 cm, D = 15 cm. AES (Audio Engineering Society) preporučuje dimenzije prema tablici, a te vrijednosti su izvedene skaliranjem prema promjeru zvučnika.


23.9.2013.

30

Mjerne ploĉe

promjer zvučnika

[mm]

Dimenzija ploče [mm]

A B C D

200 1350 1650 225 150

250 1690 2065 280 190

315 2025 2475 340 225

400 2530 3090 420 280

500 3040 3715 505 340

standardna prednja ploča prema IEC-u

AES (Audio Engineering Society)

preporučuje dimenzije prema tablici, a

vrijednosti su izvedene skaliranjem

prema promjeru zvučnika

Modul impedancije 23.9.2013. Ozren Bilan 59

Mjerenje faktora sile

Faktor sile se mjeri tzv. ravnotežnom metodom tako da se poznata struja I propusti kroz zavojnicu što rezultira njenim pomakom. Prilikom mjerenja os zvučnika je usmjerena vertikalno. Pomak se poništava primjenom utega tako da se izjednači sila kojom magnetsko polje djeluje na vodič protjecan strujom i sila teže pa dobijemo:

BIl = mg tj.

Bl = mg / I Mjerna struja je oko 200 mA, g je gravitacijska konstanta (g= 9.81 m/s2), a m je masa potrebna da se postigne ravnoteža. Bududi da su nam svi parametri iz desne strane jednadžbe poznati lako izračunamo produkt magnetske indukcije i duljine zavojnice tj. faktor sile.


23.9.2013.

31

Mjerenje magnetske indukcije i toka u procjepu

Ovo mjerenje vrši se pomodu zavojnice poznate duljine. Sila prouzrokovana primijenjenom strujom I uravnoteži se utegom, kao i pri mjerenju faktora sile, te se odredi magnetska indukcija:

B = mg / lI Magnetski tok može se onda izračunati iz poznate površine S presjeka

S = dHE Magnetski tok je onda:

=BS Mjerenje magnetske energije Magnetska energija odredi se po sljededoj relaciji:

W = 1 / 8 10-7(B2VE) Gdje je B magnetska indukcija u Teslama, a VE volumen procjepa m3.


Mjerenje elektro-mehaničko-akustičkih značajki

Da bi smo konstruirali zvučnu kutiju za određeni zvučnik najvažnije je poznavati tri značajke zvučnika, a to su:

Fs – rezonantna frekvencija zvučnika

Q – faktori QA i QE

CAS – akustička elastičnost

CAS se najpogodnije izražava kao VAS tj. zapremina zraka čija je akustička elastičnost ista kao i elastičnost zvučnika


23.9.2013.

32

Mjerenje Q faktora

Najprije određujemo odnos na modulu impedancije: R0 = ZM / RE

gdje je R istosmjerni otpor zavojnice koji mjerimo. Određujemo frekvencije f1 i f2 koje odgovaraju impedanciji koja zadovoljava relaciju:

Z (f1, f2) = r01/2RE ili f = ZM1/2RE

gdje je f = f2 – f1. Mjerenje f, f1 i f2 potrebno je izvršiti u što kradem vremenskom intervalu. Mehanički Q faktor

QMS = fs r01/2/ (f2 – f1) Električni Q faktor

QES = QMS / (r0 – l) Ukupni Q faktor

QTS = QMS QES / (QMS + QES) Ovako dobivene vrijednosti fs, QMS, QES i QTS odnose se na zvučnik montiran na standardnoj IEC ploči. One se mogu aproksimirati s vrijednostima dobivenim upotrebom tzv. beskonačne ploče s razumnom točnošdu.


Određivanje Vas Vas – Ekvivalentna elastičnost volumena. Kad na taj volumen djeluje klip površine Sd, on ima istu elastičnost kao ovjes zvučnika:

Gdje je ρ gustoda zraka (1.184 kg/m3 pri 25 °C), c je brzina zvuka (346.1 m/s pri 25 °C). CMS elastičnost ovjesa. SI sustav daje rezultat u metrima3. Za rezultat u litrama ili dm3 rezultat se pomnoži s 1000.


23.9.2013.

33

Mjerenje rezonantne frekvencije Rezonantna frekvencija fs odgovara maksimalnoj vrijednosti modula impedancije i mjerimo je digitalnim mjeračem frekvencije točnosti 0.1 Hz. Određivanje titrajne mase Poznata masa m dodaje se titrajnoj masi MMD i određuje se nova rezonantna frekvencija fs':

MMD+ MM1 = m / (fs / fs')2 – 1 MMD+ MM1 uključuje masu zračnog opteredenja s obje strane membrane. Određivanje elastičnosti ovjesa Elastičnost ovjesa dobije se poznavanjem rezonantne frekvencije fs i titrajne mase MMD relacijom:

CMS = 1/4 2fs2MMD / QMS Određivanje mehaničkog otpora sistema Mehanički otpor određen je relacijom:

RMS = 2fsMMD / QMS Mehanički otpor sistema uključuje i mehanički otpor akustičkog zračenja. Međutim, bududi da je mnogo manjeg iznosa, u prethodnoj relaciji je zanemaren. Određivanje faktora akceleracije Faktor akceleracije označava sposobnost odziva zvučnika na impulsnu pobudu, a definiran je izrazom:

= BL / MMD


MJERENJE ZVUČNIKA RAČUNALOM

Iako su prikazane metode omogudavale procjenu parametara zvučnika zadovoljavajudom točnošdu, u praktičnom radu javljali su se nedostaci. Na mjerenje djeluju vanjski faktori, a metode su nesavršene pa su to uzroci grešaka. Novije mjerne metode procjene T-S parametara temeljene su na primjeni računalskih mjernih sustava. Koriste prednosti digitalne obrada signala. Tako pri pobudi pretvarača koriste koračno klizanje frekvencije pa se tako uzima u obzir vrijeme smirenja sustava. Pri tome se koriste rezultati izmjereni pri različitim uvjetima rada: s zvučnikom u zraku, s zvučnikom s dodanom masom i zvučnikom s dodanom elastičnosti. Dobiveni rezultati optimiziraju se metodama minimalnog kvadrata greške (MSE). Tako se izmjereni parametri koriste za određivanje početnih vrijednosti složenog ekvivalentnog električnog nadomjesnog sklopa zvučnika. Program iteracijski mijenja vrijednosti oko početne vrijednosti kako bi se postiglo najbolje podudaranje izmjerene i izračunate vrijednosti. Prije izračuna, metoda omogudava provjeru oštedenja titrajnog sustava zvučnika, a pri mjerenju smanjuju se na minimum šum okoline i vibracije koje djeluju na točnost mjerenja. Takvim pristupom dobiju se najtočniji rezultati. Opisat demo sigma-delta mjerni sustav i izvršiti mjerenja Thielle – Small parametara na konkretnom zvučniku.


23.9.2013.

34

Podešavanje ispravne razine

Maksimalna razina koja se smije koristiti za impedanciju zvučnike je 0dBu ili niža. (dBu je odnos napona u dB pri čemu je referencijalni napon 0.775V) Bez promjene spojnih kablova mogude je uključiti FFT i signal generator kako bi smo procijenili izobličenje mjerne struje na rezonanciji. Opdenito se mogu očekivati izobličenja drugog harmonika oko 56dB ispod fundamentala što je 0.15%. Pri razinama od +10dBu nalazimo se u linearnom području zvučnika. Međutim, potrebno je naglasiti da je to vrlo visoka razina pobude za mjerenje, mjernog sustava kojeg koristimo. Jedan od najvažnijih parametara je vrijednost efektivnog napona pri frekvenciji rezonancije na terminalima zvučnika. Zvučni su elektroakustički pretvarači koji na naponsku pobudu daju zvučni tlak, a na pobudu tlakom daju napon. Ako mjerenje impedancije vršimo pri izraženoj buci, buka de generirati napon koji de mjerni sustav primiti kao naponsku pobudu. Zbog toga je potrebno mjerenja vršiti u prostorima sa vrlo niskom razinom buke. Kada smo podesili sve postavke na željene vrijednosti možemo početi s mjerenjem impedancije zvučnika u zraku, u kutiji i s dodanom masom.


Proračun T-S parametara izvodi se nakon snimanja modula impedancije, pa je zato snimljene module impedancije dobro memorirati, te u Notes dijalogu zapisati sve mjerne uvjete (dodatnu masu i volumen kutije). Posljednji korak prije proračuna je mjerenje istosmjernog otpora zavojnice u omima i efektivnog promjera membrane u milimetrima. Efektivni promjer membrane mjeri se od sredine elastičnog ovjesa. U izračunatom primjeru iznose 7.2 oma i 205 mm.

TS parametri

FS 35.9662 Hz

VAS 71.9146 L

RE 7.2000 W

QMS 3.3241

QES 0.4253

QTS 0.3771

B×l 12.5879 Tm

dBSPL90.9804

SD 0.0330 m2

CMS 0.4727 mm/N

MMS 41.4218 g

RMS 2.8159 WM

CAS 5.15E-7 m5/N

MAS 38.02 kg/m4

RAS 2585 WA

CMES261.4115 mF

LCES 74.9078 H

RES 56.2706 W

RAT 22786 WA

RMT 24.8235 WM

MMD 38.0278 g

ZMIN 8.7030 W

ZMAX63.4706 W

ZAVG25.5800 W

h0 0.7552 %

L1kHz 2.2038 mH

L10kHz 0.8078 mH

Ozren Bilan Sinusoidal 02. 10. 02 16:17:34

CH A Ohm Unsmoothed Stepped Delay [ms] 0.000 Dist Rise [dB] 30.00 File: moduli .sini 10 100 1k 10k 20k 10 Hz

100.0

Ohm

180.0

Deg

80.0 108.0

60.0 36.0

40.0 -36.0

20.0 -108.0

0.0 -180.0

CLIO


23.9.2013.

35

Zaključak Zvučnik s naglaskom na dubokom i brzom basu, treba biti srednje osjetljivosti, ravnom konusnom membranom srednje do velike mase. Zavojnica treba biti izrađena od bakrene žice kvadratnog ili šesterokutnog presjeka te obvezno mora biti znatno duža od magnetskog procjepa koji treba biti što uži s optimalno podešenom radnom točkom i indukcijom. Nosač zavojnice obvezno mora biti Nomex ili Kapton. Membrana treba biti izrađena od termoplastičnog ili kompozitnog materijala. Ovjes je polukružni gumeni ili od poliuretanske pjene. Iznos termičkog sažimanja ne bi smio biti vedi od 2 dB. Glavna ograničenja dinamičkih zvučnika su u mehaničkom, a ne električnom ili magnetskom području pa zvučnik treba imati izuzetno povoljne mehaničke značajke. Za dobivanje korisnog zvuka dinamičkim zvučnikom nužna je ugradnja u kutiju za što je potrebno poznavati značajke zvučnika koje mjerimo. Korisni zvuk, podrazumijeva da ne nastaju destruktivne interferencije tj. fazno poništavanje emitirane zvučne energije s prednje i stražnje strane zvučnika. Nadalje, podrazumijevamo optimalnu reprodukciju najnižih frekvencija, što se može omoguditi jedino optimalnim volumenom zvučničke kutije. On se izračunava iz izmjerenih T-S parametara. Mjerenjem T-S parametara pomodu računala dobiju se najtočniji podaci jer mjerni sustav pri mjerenju impedancije računa modul i fazu, koristi se koračna promjena frekvencije koja uzima u obzir vrijeme smirenja sustava, a optimizacijom metodom minimalnog kvadrata pogreške (MSE), dolazi se do optimalnog proračuna između dobivenih podataka izmjerenih u zraku, s dodanom masom i dodanom elastičnosti. Pored navedenog prije izračuna je mogude provjeriti stupanj oštedenja titrajnog sustava zvučnika, analizom oblika modula impedancije zvučnika.


06 elektrodinamiČki zvuČniciaudiologs.com/ozrenbilan/06_zv.pdf · 2017-10-11 · prvi magneti...

Documents