Komunikačná akustika L03: Reproduktory prof. Ing. Jozef Juhár, PhD.

Transcription

1 Komunikačná akustika L03: Reproduktory prof. Ing. Jozef Juhár, PhD.

2 Reproduktor = elektroakustický menič + akustický vysielač základnou požiadavkou, kladenou na reproduktor je verná reprodukcia akustického signálu prenosová sústava elektrický signál na vstupe akustický signál na výstupe R G u G u in Reproduktor p out prenos p u out in 14.marec 016

3 Požiadavky na ideálny prenos konštantná amplitúdová frekvenčná charakteristika lineárna fázová charakteristika impulzová odpoveď (prechodová charakteristika) bez zvlnenia minimálne nelineárne skreslenie... žiaden reproduktor nespĺňa tieto požiadavky absolútne = veľké množstvo typov AFCH FFCH frekvencia frekvencia 14.marec 016 3

4 Priamovysielajúce Rozdelenie reproduktorov (podľa spôsobu vysielania) Membrána reproduktora je priamo naviazaná na prostredie, do ktorého vysiela akustické vlnenie nepriamovysielajúce (tlakové) Medzi membránou reproduktora a prostredím, do ktorého je vysielané akustické vlnenie, je vložený akustický medzičlánok, ktorý zlepšuje impedančné prispôsobenie membrány a aprostredia a zvyšuje tak účinnosť akustického vysielača 14.marec 016 4

5 Rozdelenie reproduktorov (podľa typu elektromechanického meniča) elektrodynamické cievkové elektrodynamické páskové elektrostatické piezoelektrické iné 14.marec 016 5

6 Rozdelenie reproduktorov (podľa prenášaného pásma frekvencií) nízkotónové stredotónové vysokotónové širokopásmové iné 14.marec 016 6

7 Nízkotónový reproduktor (woofer) a jeho typické parametre 14.marec 016 7

8 Stredotónový reproduktor (midrange) a jeho typické parametre 14.marec 016 8

9 Vysokotónový reproduktor (tweeter) a jeho typické parametre 14.marec 016 9

10 Elektrodynamický reproduktor 14.marec

11 Podsystémy elektrodynamického reproduktora R G u G Elektro-mechanický menič Mechanická časť reproduktora Mechanickoakustický menič Akustická časť reproduktora Akustický vysielač p A elektrodynamický elektromechanický menič: magnetický obvod (permanentný magnet, pólové nástavce, predná a zadná platňa) cievka; mechanický obvod teleso membrány a cievky pružné zavesenie membrány a cievky: strediaca membrána - pavúka (spider) poddajné zavesenie na okrajoch (surround) akustický vysielač plocha membrány v tvare: zrezaného kužeľa guľového vrchlíka (konvexný alebo konkávny) 14.marec

12 Elektromechanický menič ako lineárna dvojbrána Ideálny elektrodynamický elektromechanický menič u(t) i(t) Elektro-mechanický menič v M (t) f M (t) u e i e Bl v M f M Kaskádna matica konštánt dvojbrány f u M 11 1 e vm 1 ie f 0 M Bl ue v 1 M Bl 0 i e f v M M i 1 M M E u Z E e Bl Z Bl Z Z Bl e 3.marec 015 1

13 Mechanická časť reproduktora a elektromechanická analógia Mechanické sústavy posuvné so sústredenými parametrami Mechanické prvky akustický odpor R M akustická hmotnosť M M akustická poddajnosť C M Analógia Ohmovho zákona v mechanických sústavách (mechanická impedancia) RM f Z jm sm 1 1 jcm sc M M M M vm M Mechanické veličiny a zdroje Mechanická sila zdroj konštantnej mechanickej sily (f M ) mechanická rýchlosť zdroj konštantnej mechanickej rýchlosti (v M ) f M v M M M f M1 R M f M f M3 C M 14.marec

14 Akustická časť reprodutora a elektro-akustická analógia Akustické sústavy so sústredenými parametrami!!! Akustické prvky akustický odpor R A akustická hmotnosť M A akustická poddajnosť C A Akustické veličiny a zdroje akustický tlak zdroj konštantného akustického tlaku (p A ) akustická objemová rýchlosť zdroj konštantnej objemovej rýchlosti (w A ) Z A Analógia Ohmovho zákona v akustických sústavách (akustická impedancia) RA p A jm 5 A sm A Nsm ; A w A 1 1 jc A sca akustická objemová rýchlosť w A m 3 s 1 je rýchlosť toku prostredia v ktorom sa šíri zvuková vlna cez jednotku plochy p A R A wa w A R A a) L S p A w A p A w A C A V w A C A p A a) b) b) p A M A w A p A a) b) 14.marec

15 Akustický vysielač z pohľadu elektro-mechanickoakustických analógií Je to rozhranie medzi kmitajúcim telesom, generujúcim akustický tlak a objemovú rýchlosť a akustickým poľom, do ktorého sa šíri vysielané zvukové vlnenie M AV Akustický obvod w A Akustický vysielač Akustické pole p A =f(w out ) R AV () p A Z AV Náhradná schéma platí, keď akustický vysielač: je tzv. malým akustickým obvodom, t.j. je akustickou sústavou so sústredenými parametrami, t.j. je oveľa menší než vlnová dĺžka Zdroj Pre akustický Akustický tlak zvukového vlnenia. akustického obvod je v akustickom napr. keď: πr < λ t.j. keď: kr < 1 (R je tlaku akustický poli zavisí od polomer piesta) predstavuje z vysielač akustickej Akustická vysielacia impedancia piestového pohľadu elektro- zaťažovacou objemovej vysielača (v nekonečnej stene) je sériovým mechanicko- akustických tzv. vysielacia tečúcej do zapojením vysielacieho odporu a hmotnosti, pre impedanciou rýchlosti, analógií výstup (vyžarovacia) vysielacej ktoré platí: nejakého impedancia impedancie akustického (radiation R AV ω = ρ 0ω πc obvodu impedance) 0 M AV = ρ 0 S 8R 3π 14.marec w out

16 Uvažujme ideálny (nehmotný, dokonale tuhý,...) kmitajúci piest plochy S, umiestnený ako na obr. Predpokladáme, že piest je rozkmitaný pôsobením vonkajšej striedavej mechanickej sily F M. Z A F M ZA1 -w A w A Akustická impedancia reprezentuje možný akustický obvod, ktorým môže byť zaťažená predná aj zadná strana piesta S:1 1 w A p A1 Z A1 Ak berieme do úvahy akustické obvody pred a za kmitajúcim piestom a piest ako mechanicko-akustický menič, potom analogická schéma piesta, oddeľujúceho akustické obvody pred piestom od akustických obvodov za piestom je ako na obr. f M S:1 w A p A Z A

17 Úplná náhradná schéma elektrodynamického, priamovysielajúceho reproduktora R G R EVC L EVC R MS M MD C MS Bl v D S D :1 w D M ARD u G R ARD R G vnútorný odpor zdroja elektrického signálu; S D :1 w D M ARD R EVC L EVC elektrický odpor cievky; elektrická indukčnosť cievky; R ARD Bl transformačná konštanta elektromechanického meniča; M MD mechanická hmotnosť membrány a cievky reproduktora; C MS mechanická poddajnosť reproduktora; R MS mechanický odpor trenia membrány, telesa cievky a pružného závesu; R ARD akustický vysielací odpor reproduktora; M ARD (membrány) reproduktora; S D efektívna vysielacia akustická plocha membrány reproduktora (transformačná konštanta mechanicko-akustického meniča). 14.marec

18 Analýza vlastností reproduktora v nekonečnej ozvučnici Zameraná na: elektrické vlastnosti vstupná (elektrická) impedancia prenosové vlastnosti (analýza pri malých signáloch) prenosová funkcia menovitá účinnosť charakteristická citlivosť výkonové vlastnosti (analýza pri veľkých signáloch) výchylka reproduktora maximálnou výchylkou limitovaný el. príkon maximálnou výchylkou limitovaný ak. výkon 14.marec

19 Thiele-Small (TS) parametre reproduktora Sú to parametre odvodené z náhradnej schémy reproduktora Umožňujú praktický a veľmi rýchly odhad vlastností reproduktora Majú významnú úlohu pri návrhu reproduktorovej sústavy Už niekoľko desaťročí je nepísaným štandardom uvádzať ich v dátových listoch reprodutorov. rezonančná frekvencia: mechanický činiteľ kvality: elektrický činiteľ kvality: celkový činiteľ kvality: ekvivalentý objem: f Q S Q Q MS ES TS 1 R R MS EVC 1 Bl Q Q ES ES M MS M C Q Q MS C MS MS M C MS MS MS MS V c S C AS 0 0 D MS M M S M MS MD D ARD 14.marec

20 Elektrická náhradná schéma reproduktora u G R G R EVC L EVC R ES C ES L ES R C ES ES Bl R MS M ( Bl) MS LES ( Bl) CMS 1 ZE s REVC s LEVC ; s j 1 1 sces R s L ES ( Bl) s Q Z s R s L s N MS E EVC EVC ; N RMS sn sn QMS 1 S ES s 14.marec 016 0

21 Frekvenčná závislosť modulu elektrickej impedancie reproduktora 40 Z EM Z EM, Z E [] 30 0 (Bl) R MS Z E L EVC 10 R EVC 0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 / s Na elektrickej impedancii reproduktora sa podieľa: elektrický odpor cievky R EVC v celom frekvenčnom pásme paralelný elektrický rezonančný obvod (R ES, L ES,C ES ) v pásme nízkych frekvencií (v okolí rezonančnej frekvencie) reaktancia cievky (L EVC ) začína sa výraznejšie prejavovať zhruba od 10-násobku rezonančnej frekvencie 14.marec 016 1

22 Akustický tlak v akustickom poli reproduktora Uvažujeme malé signály t.j. lineárnu oblasť kmitania reproduktora. Ďalej uvažujeme pásmo akustických frekvencií, kedy rozmery reproduktora sú oveľa menšie než vlnová dĺžka vysielaného zvukového vlnenia, t.j. platí: πr D λ R D je polomer piesta Vtedy je kr D 1, takže reproduktor považujeme za zdroj guľovej zvukovej vlny. Zároveň je f c 0 πr D, kedy vplyv indukčnosti cievky a vysielacieho odporu je zanedbateľný. Vychádzame z akustickej náhradnej schémy, získanej úpravou úplnej elektro-mechanickoakustickej schémy reproduktora. R AE R AS M AS C AS w D p G p R g AE ug ( Bl) ( R R ) S g EVC D 1 ( Bl) ( R R ) S g EVC D M R AS AS M S R S MS D MS D C C S AS MS D R ARD 14.marec 016

23 Akustický tlak v akustickom poli reproduktora Pre akustický tlak v tzv. blízkom poli reproduktora platí: d w ( t) p t p s s r dt r 0 D 0 out ( ) ( ) () out wd s kde r je vzdialenosť od ústia reproduktora. p OUT () s 1 u Bl S s M C 1 0 g D AS AS r R s M g REVC M MS AS CAS scas RAT amplitúda akustického tlaku p 0 prenosová funkcia akustického tlaku G s p PE fs VAS Pa; W,m,Hz,m r Q ES Gs () s AT N R R R AS sn s Q 1 N AE T Celkový akustický odpor akustickej náhradnej schémy zahrňuje elektrické a mechanické odpory reproduktora 14.marec 016 3

24 Celkový činiteľ kvality reproduktora celkový činiteľ kvality reproduktora je činiteľ kvality rezonančného obvodu, na ktorom sa okrem mechanických reaktančných prvkov (M MS, C MS ) podieľajú všetky odporové prvky (mechanické aj elektrické) celkový činiteľ kvality tak možno rozdeliť na dve časti, na mechanický činiteľ kvality, ktorý je činiteľom kvality čistého mechanického sériového rezonančného obvodu, a na tzv. elektrický činiteľ kvality 1 Q CMS Bl C RMS M ( R R ) M Q Q 1 R ( ) MS T MS g EVC MS MS ES g EVC R elektrický činiteľ kvality závisí od dvoch odporov, od vnútorného odporu zdroja signálu R G a od elektrického odporu cievky R EVC keďže od celkového činiteľa kvality závisí tvar amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky, je zrejmé, že na tvar AFCH bude mať vplyv nielen odpor cievky, ale aj vnútorný odpor zdroja 14.marec 016 4

25 Prenosová funkcia reproduktora ako hornopriepustný filter. rádu G s G s bs N b 1 asn a1s N a 0 a 1 1 a 1 s Q N s 1 a0 1 N sn Q T T Jediný nastaviteľný koeficient prenosovej funkcie závisí od neho tvar charakteristiky Frekvencia, ktorou je normovaný operátor s je tzv. charakteristickou frekvenciou filtra. V prípade reproduktora je ňou rezonančná frekvencia a 1 critically damped second-order Bessel second-order Butterworth second-order Chebychev 14.marec 016 5

26 Amplitúdová frekvenčná charakteristika reproduktora detaily charakteristiky: medzná frekvencia zvlnenie charakteristiky v okolí rezonančnej frekvencie sklon charakteristiky v pásme pod medznou frekvenciou vzťah medzi medznou frekvenciou a rezonančnou frekvenciou 9 0 G(j) [db] Q T = Q T =1,41 Q T =1 Q T =0,71 Q T =0,5-7 0,1 1,0 10,0 s 14.marec 016 6

27 Fázová frekvenčná charakteristika reproduktora Linearita fázovej charakteristiky závisí od celkového činiteľa kvality reproduktora!!! 3,0,5 Arg[G(j)],0 1,5 1,0 0,5 Q T =0,5 Q T =0,7 Q T =1 Q T =1,4 Q T = 0,0 0, / S 14.marec 016 7

28 Charakteristická tlaková citlivosť Je to akustický tlak v osi reproduktora vo vzdialenosti 1m od jeho ústia pri elektrickom príkone 1W: 3 3 fs VAS -1 p PaW m 1 W,1m Q ES Rýchly odhad amplitúdy akustického tlaku z charakteristickej tlakovej citlivosti: p P E A p 1 W,1m Pa r 14.marec 016 8

29 Hladina akustického tlaku a char. tlaková citlivosť v [db] L p p A, ref pa 0log10 db p A, ref 5 10 Pa Charakteristická citlivosť v [db] sa vypočíta podobne, ako hladina akustického tlaku. Referenčná hodnota citlivosti má číselne rovnakú hodnotu, ako referenčná hodnota akustického tlaku. L p, ref p 1 W,1m 0log 10 db p, ref PaW m 14.marec 016 9

30 Rýchly odhad amplitúdy akustického tlaku z charakteristickej tlakovej citlivosti p A p 1 W,1m P r E p 0 log 0 log 0 log A p 1 W,1m E pa, ref p, ref r P L L 10 log P 0 log r p 10 E 10 Hladina akustického tlaku sa zvýši o: 3dB, ak sa elektrický príkon zdvojnásobí 10dB, ak sa elektrický príkon zdesaťnásobí Hladina akustického tlaku sa zmenší o: 6dB, ak sa vzdialenosť zdvojnásobí 0dB, ak sa vzdialenosť zdesaťnásobí 14.marec

31 Menovitá účinnosť reproduktora: Pomer činneho akustického výkonu k menovitému elektrickému príkonu: Akustická objemová rýchlosť, tečúca do vysielacieho odporu membrány určuje činný akustický výkon w D P P A E, Nom R G w u D,0 G R EVC Po dosadení a úprave: R ARD R EVC Elektrický prúd, tečúci do odporu cievky určuje menovitý elektrický príkon p A»P A u G R ARD R G U E»P E REVC ( Bl) S 4 f V f V D s AS 7 S AS N ( IB) 9, c0 REVC M MS c0 QES QES 14.marec

32 Lineárna výchylka (membrány) reproduktora x D () s 1 w ( s) u ( Bl) C 1 S s R R S s M C s C R D G AS D ( G EVC ) D AS AS AS AT 1 amplitúda výchylky x D 0 prenosová funkcia výchylky X s 14.marec 016 3

33 Výchylková citlivosť Je to amplitúda výchylky membrány reproduktora na 1W elektrického príkonu (ak R G =0). x u ( Bl) C C ( Bl) P G AS MS D0 E ( RG REVC ) SD REVC výchylková citlivosť x ( IB ) x( IB) 4 1 CMS ( Bl) 1 1 VAS 10,6510 V AS mw REVC c0 S 0 D fs QE S SD fs QES 14.marec

34 Výchylková prenosová funkcia a amplitúdová frekvenčná charakteristika X X s X s j 1 1 s M AS CAS s CAS RAT 1 s s Q N N T Q T 14.marec

35 Frekvenčná charakteristika amplitúdy výchylky Výchylka reproduktora v nekonečnej ozvučnici môže mať teoreticky svoje maximum v blízkosti rezonančnej frekvencie, alebo sa môže asymptoticky blížiť k maximálnej hodnot. Závisí to od celkového činiteľa kvality,0 1,5 Q T =0,5 Q T =0,707 Q T =1 Q T =1,41 X(j) 1,0 Q T = 0,5 0,0 X j 1 1 QT 0,1 1,0 10,0 / s 14.marec

36 Kontrolné otázky 1. Analýza reproduktora pri malých signáloch je: a) Analýza v lineárnej oblasti činnosti reproduktora b) Analýza v nelineárnej oblasti činnosti reproduktora. Vymenujte akustické prvky akustickej sústavy so sústredenými parametrami 3. Vymenujte päticu TS parametrov reproduktora 4. Aké typy reproduktorov poznáte 5. Čo je rezonančná frekvencia reproduktora 14.marec

37