Трудно представить современное акустическое оформление, в том числе и авто, без автономного акустического устройства, воспроизводящего звуки только нижних частот - сабвуфера. Однако, в автомобиле установить сабвуфер не так просто. Ведь для воспроизведения нижних частот требуется аппаратура большой мощности, как усилителя так и головки динамической. Мощные головки, как известно, имеют относительно большие размеры, что, в свою очередь, требует и такого же габаритного акустического оформления. А где это все разместить в ограниченном пространстве транспортного средства? Для автомобиля необходима акустическая система небольшого объема и соответствующей конфигурации, максимально повторяющая форму ниши кузовного отсека, в которой она будет установлена.
Динамик. Громкоговорители 25ГДН-1-4 и 25ГДН-3-4 имеют небольшие габариты, потребуют ящика небольшого объема, примерно 5…8 литров, но не подходят по мощности. К примеру, сигнал подаваемый с усилителя на микросхеме TDA1568Q они не выдерживают. Популярные автомобильные овальные многополосные головки подходят для указанного усилителя, поскольку предназначены для эксплуатации в автомобиле, как и сами усилители на микросхемах TDA1568Q, а значит и подходят для совместного использования – рис. 1. Но "овалы" большие для компактного сабвуфера. Решить проблему можно путем комбинирования конструкций вышеупомянутых излучателей.
а)
б)
Рис. 1. Громкоговорители: а – 25ГДН-1-4; б – Premiera MS-6.94
Для чего нужно заготовить диффузородержатель и диффузор с резиновым подвесом от 25ГДН-1 или 25ГДН-3, магнитную систему, звуковую катушку и центрирующую шайбу от старой акустической системы "Премьера" или другой схожей конструкции.
Диффузородержатель 25ГДН-1-4 снимают из неисправной головки, диффузор с резиновым подвесом нужно найти новый. Овальные автомобильные головки также не представляют дефицита. Чаще всего они приходят в негодность из-за попадания мусора в зазор между звуковой катушкой и керном.
Динамики подвергают разборке в следующем порядке. Отпаивают подводящие провода с динамика 25ГДН-1-4. Отмачивают растворителем места склеивания подвеса, центрирующей шайбы с корзиной и извлекают подвижную систему. Затем выкручивают три винта и отделяют магнитную систему. Разобрать акустическую систему "Премьера" или ей подобную немного сложнее, поскольку не все клеевые соединения размягчаются растворителем. Целесообразно использовать строительный фен для разогрева клеевых соединений. В худшем случае можно обойтись просто механическим разрушением клеевого соединения. Сначала отпаивают провода, как и в первом случае. Затем с тыльной стороны вывинчивают винт крепления к керну подиума СЧ-ВЧ излучателей и извлекают его. Аккуратно оделяют подвес от диффузора и центрирующую шайбу, не повредив ее, от диффузородержателя (шайбу можно аккуратно срезать). Магнитная система и корзина имеют заклепочное соединение. Разъединяют их путем срезания или высверливания головок заклепок.
Для соединения магнитной системы "Премьеры" и корзины 25ГДН-1-4 нужно в переднем фланце просверлить три отверстия и нарезать резьбу М4. Для этого отделяют фланец от магнита. На мягкую поверхность (поролоновый коврик) кладут магнитную систему в вертикальном положении. Между фланцем и магнитом прикладывают лезвие ножа острой частью, по обратной стороне которого слегка ударяют молотком весом 100 гр. Процесс проделывают несколько раз, проворачивая магнитную систему, пока не сдвинется фланец. На освободившемся от магнита фланце удаляют остатки заклепочного соединения. Проводят точную разметку под отверстия, сверлят и нарезают в них резьбы. Между диффузором и фланцем размещают картонную прокладку от 25ГДН-1-4. Прикручивают диффузородержатель к фланцу. Выступающие с обратной стороны фланца части винтов срезают. Корзину с фланцем приклеивают к магниту эпоксидным клеем. Центровку фланца выполняют с помощью пластиковой втулки, заготовленной заранее или пленки, например для рентгеновских снимков. Дают клею затвердеть. Удаляют центровальное приспособление. Потайные головки соединительных винтов и картонную прокладку между корзиной и фланцем покрывают нитролаком.
Сборку подвижной системы проводят следующим способом. На керн насаждают звуковую катушку. Центрируют ее с помощью полосок пленки или плотной бумаги. Фиксируют ее в положении при котором середина звуковой катушки будет находится на уровне фланца. Затем немного развальцовывают отверстие диффузора, поскольку каркас катушки немного шире. Укладывают диффузор с подвесом на каркас звуковой катушки. Убеждаются в том, что он плотно прилегает в местах сопряжений с диффузородержателем и каркасом звуковой катушки без изгибов и перекосов. Наносят пометку на гильзе звуковой катушки в месте прилегания внутренней стороны диффузора. Диффузор на несколько мм смещают от метки. В отмеченном месте наносят кистью 88-й клей. Поле возвращают диффузор в исходное положение. При этом следят за расположением выводов звуковой катушки относительно прорезей для крепления их на диффузоре. Затем промазывают клеем место сопряжения внешней части диффузора с каркасом звуковой катушки. Высушивают.
Подводящие провода припаивают к выводам звуковой катушки и крепят к диффузору в определенных местах с помощью металлических зажимов. Места крепления и выводы звуковой катушки покрывают клеем.
Приклеивание центрирующей шайбы. Центрирующею шайбу используют от "Премьеры". Шайба от 10ГД-34 не обладает достаточной жесткостью. При подведении к динамику сигнала большого уровня она не способна удерживать подвижную систему в нужных приделах. Как следствие, звуковая катушка будет ударяться о фланец магнитной системы, издавая неприятные звуки. Центрирующая шайба у "Премьеры" коробчатая, а у 10ГД-34 – плоская. Потому шайбу "Премьеры" дорабатывают. Для чего воротник шайбы срезают, а последнюю гофру, предварительно смочив водой, разглаживают утюгом. После этого в нее продевают звуковую катушку с диффузором и устанавливают подвижную систему в таком виде в диффузородержатель с магнитной системой. Звуковую катушку центрируют. Убеждаются, что шайба установлена правильно, без перекосов, отсутствуют вмятины. Шайбу в местах касания с ребрами диффузородержателя следует подрезать. Далее диффузор с звуковой катушкой выдвигают на 8…10 мм (шайбу удерживают в положении плотного прилегания к диффузородержателю). Поверхность диффузора, в месте контакта с центрирующей шайбой, промазывают клеем. Затем смещают шайбу на место склеивания. Аккуратно по окружности обжимают. Сразу же собранную подвижную систему сдвигают в исходное положение. Убеждаются, что шайба находится на своем месте без перекосов и изгибов. Оставляют подсыхать в таком виде, не снимая подвижную систему с диффузородержателя и магнитной системы. После высыхания клея подвижную систему вынимают и промазывают клеем место сопряжения обратной стороны шайбы с каркасом катушки и диффузором.
Заключительный этап. Подвижную систему устанавливают в диффузородержатель с магнитной системой, центрируют. После на 5…10 мм ее выдвигают. Смазывают места склеивания диффузородержателя, подвеса, центрирующей шайбы клеем и устанавливают подвижную систему в первоначальное положение. Склеиваемые места обжимают и просушивают. Вынимают центрирующий материал и подпаивают подводящие провода к клеммам на диффузородержателе. Звуковую катушку закрывают пылезащитным колпачком.
В керне имеется отверстие. Если его не закрыть, колышущейся в нем воздух, в следствии колебании подвижной системы, создает неприятные призвуки. По этому его нужно закрыть или заклеить. Можно тканью. Воздух проходящий через которую обеспечит дополнительное охлаждение звуковой катушки.
Описанные изменения в конструкции головки динамической 10ГД-34 позволили увеличили ее мощность. Объясняется это следующим.
Известно, что катушка с намотанным на нее проводом L находящаяся в радиальном магнитном поле при пропускании через нее переменного тока I, испытывает действие силы F=BLI, где:
B – индукция в зазоре. С ней все понятно, поскольку звуковая катушка "Премьеры" используется вместе с родной магнитной системой, имеющей и индукцию B в зазоре большей величины чем у 25ГДН-1-4;
L – длина провода. Звуковая катушка акустической системы "Премьера" имеет внутренний диаметром 25,9 мм и высоту 34 мм. Намотана на алюминиевом каркасе обмоточным проводом диаметром 0,27 мм. Катушка двухслойная. Первый слой имеет 49 витков, второй – 47. Высота намотки составляет 13,4 мм. Катушка 25ГДН-1-4 имеет внутренний диаметр 25,4 мм и высоту 12,4 мм. Намотана на бумажном каркасе проводом диаметром 0,23 мм в два слоя, первый – 46 витков, второй - 45. Совершенно очевидно, что обмоточный провод звуковой катушки "Премьеры" длиннее;
I – сила тока. Основным фактором, влияющим на этот показатель является сечение проводника. Чем большего сечения проводник, тем большей величины тока он способный выдержать. Звуковая катушка "Премьеры" имеет провод большего сечения, чем катушка 25ГДН-1-4. При прохождении тока через проводник он подвергается нагреву. Чем больше сила тока, тем больше нагрев. Если принять меры по отводу тепла от проводника, то можно увеличить силу пропускаемого через него тока. В этом немаловажную роль играет материал каркаса катушки. У "Премьеры" он алюминиевый, что способствует улучшению отвода тепла. Поэтому такая звуковая катушка способна выдержать бо́льший ток, а следовательно и подводимую электрическую мощность.
Доработанную головку подвергают измерениям – определение резонансной часты по методике, описанной в источнике [1]. На рисунке 3 приведена схема измерений. Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например для калибровочного сопротивления 4 Ом напряжение должно быть 0.004 вольта.
Рис. 2. Динамик 25ГДН-1-4 после доработки
Рис. 3. Структурная схема установки для измерений параметров головок громкоговорителей
Резонансная частота в свободном пространстве верно собранного нового динамика должна составляет не выше 80 Гц, что вполне приемлемо для головок с диффузорами такого размера.
Предполагается использовать динамик в салоне автомобиля ВАЗ 2110 с кузовом типа седан для воспроизведения НЧ составляющей звукового сигнала. На задней полке автомобиля имеется углубление трапециевидной формы со скругленными углами. В нем допустимо расположить динамик в оформлении с корпусом внутренним объемом 4,5 дм3 и более. Какое же оформление предпочтительней, ящик-фазоинвертор или закрытый ящик?
Существует такое понятие, как передаточная функция салона автомобиля подымающая АЧХ громкоговорителя начиная с определенной частоты в темпе 12 дБ/окт. [2]. И этот фактор является определяющим при конструировании автомобильной акустики. Объясняется это следующим.
Идеальный динамик устроен так, что если к нему подводится постоянная мощность, то на любой частоте выше частоты своего основного резонанса и вплоть до верхней частотной границы, создаваемое им звуковое давление будет постоянным. С каждой октавой при движении вниз по частотному диапазону амплитуда колебаний диффузора возрастает вчетверо. При возрастании частоты с низу на октаву амплитуда колебаний диффузора, наоборот, снижается вчетверо. Акустические системы имеют строго определенную нижнюю границу эффективного излучения – это частота основного резонанса. Ниже этой частоты при по-прежнему постоянной подводимой мощности звуковое давление падает с крутизной 12 дБ/окт. А амплитуда колебаний диффузора перестаёт расти. Ниже резонансной частоты она остаётся постоянной. В бытовой акустике именно это считается нижней частотной границей, ниже колонка издаёт очень мало звуков. Поэтому разработчики АС стараются изготавливать их как можно с низкой резонансной частотой. При конструировании качественных автомобильных АС этого правила следует воздержаться.
На высоких частотах, пока звуковые волны короткие, сигнал равномерно распространяется по салону, звуковое давление постоянное. Когда длина волны, возрастая со снижением частоты, начнет быть сравнима с наименьшим размером салона, возникает стоячая волна. В зависимости где расположен слушатель, интенсивность звукового сигнала будет усиливаться либо ослабляться. В какой-то момент длина волны станет столь велика, что даже половина ее волны перестанет укладываться вдоль наибольшего размера салона. При колебаниях диффузора колебания давления происходят уже не путем распространения волн, а сразу всюду, точно также, как если бы динамик был поршнем, а салон цилиндром. Изменение давления в салоне линейно зависит от амплитуды колебания диффузора. С этого момента и начинается подъем АЧХ, поскольку, как уже выше замечено, с каждой октавой, при движении вниз, амплитуда колебаний диффузора динамика возрастает вчетверо. Частота начала подъема АЧХ громкоговорителя в салоне автомобиля известна – 75 ± 5 Гц.
Назначение фазоинвертора (ФИ) – небольшое уменьшение нижней границы рабочей частоты. Обычно фазоинвертор настраивают на резонансную частоту громкоговорителя в свободном пространстве или чуть ниже [3]. АЧХ звукового давления динамической головки в ящике-фазоинверторе имеет крутизну ската 24 дБ/окт. Использовать такое оформление в салоне автомобиля будет неправильно. Другое дело акустическое оформление в виде закрытого ящика с частотой основного резонанса соответствующей частоте подъема АЧХ громкоговорителя в салоне автомобиля. Крутизна ската АЧХ звукового давления на этой частоте в таком оформлении составляет 12дБ/окт., а передаточная функция салона подымает звуковое давление с крутизной 12 дБ/окт. В результате АЧХ ровная – рис. 4.
Рис. 4. Наглядная иллюстрация влияния передаточной функции салона автомобиля на АЧХ звукового давления при резонансной частоте сабвуфера 80 Гц
Корпус. Для акустического оформления динамика изготавливают ящик – рис. 5. Форма и размеры которого исходят от конфигурации углубления в задней полке автомобиля ВАЗ 2110 и габаритов динамика. Материал для изготовления стенок – фанера.
Рис. 5. Корпус: 1 – верхняя стенка; 2 – нижняя стенка; 3 – передняя стенка; 4 – задняя стенка; 5 – Боковая стенка
Как выше упоминалось, углубление в задней полке имеет форму трапеции с округленными углами. Такой же формы вырезают заготовки для верхней 1 и нижней 2 стенок из фанеры 10 мм.
Для формирования изгиба боковых стенок необходимо изготовить картонное С-образное лекало, повторяющее округления, предварительно задавшись шириной стенок 20 мм. С помощью лекала размечают на фанере заготовки и аккуратно, не выходя за линии разметки, вырезают электролобзиком – рис. 6, а. Их количество зависит от толщины применяемого материала. Общая высота стенки должна составить 55 мм. Заготовки попарно склеивают клеем ПВА. После высыхания клея к получившимся деталям снова приклеивают С-образные заготовки. И так до необходимого размера. Для надежности склеивания и хорошей плотности прилегания заготовок используют струбцины. Получившиеся изделие зачищают наждачной бумагой. Затем проводят разметку и вырезание проушин - элементов шипового соединения рис. 6, б.
а)
б)
Рис. 6. Формирование изгиба боковой стенки: а – заготовка; б – боковая стенка
Прямолинейные панели 3, 4 изготавливают либо из фанеры толщиной 20 мм, либо из двух склеенных заготовок толщиной 10 мм или 12 и 8 мм. В торцах вырезают элементы столярного соединения – шип.
Все детали должны плотно прилегать друг к другу в местах соединений, а собранные воедино - обрисовывать форму нижней и верхней стенок – рис. 7. Если эти правила выдержаны, приступают к склеиванию. Места шиповых соединений промазывают обильно клеем ПВА. Несколько минут дают клею загустеть. После чего детали соединяют и простукивают киянкой для точного и плотного прилегания. По периметру крепко обязывают резиновым жгутом или лентой, вырезанной с автомобильной камеры. Получившуюся конструкцию прикладывают к нижней стенке, при необходимости выравнивают, и фиксируют шурупами. По местам склеивания простукивают киянкой с целью выравнивания деталей в плоскости нижней стенки. Места сопряжения клеевых швов с поверхностью нижней стенки предварительно обрабатывают строительным скотчем, во избежание их склеивания.
Рис. 7. Этапы соединения передней, задней и боковых стенок
К собраной из боковых стенок детали крепят верхнюю и нижнюю стенки с помощью клея и шурупов – рис. 8. Получившееся изделие ошкуривают, заделывают сколы, неровности и придают ему эстетический вид – оклеивают карпетом соответствующим оббивке салона автомобиля. Монтируют подводящие клеммы. Головке обеспечивают мягкое крепление. Желательно в вержнюю стенку, для крепления динамика, установить капроновые резьбовые втулки, например с акустических систем "Маяк". Внутри корпуса располагают немного хлопчатобумажной ваты.
Рис. 8. Монтаж нижней и верхней стенок
АЧХ звукового давления акустической системы приведено на рис. 9. На графике видно плавный спад начиная, примерно, с частоты 90 Гц, что соответствует частоте начала подъема АЧХ громкоговорителя в салоне автомобиля.
Рис. 9. График АЧХ звукового давления доработанной головки в закрытом ящике внутренним объемом 4,5 дм3
Сравнительное прослушивание в салоне автомобиля изготовленной головки в оформлениях закрытый ящик и ящик-фазоинвертор с одинаковыми внутренними объемами в 4,5 литров показало очевидное преимущество закрытого ящика. В ящике-фазоинверторе очень прослушивается усиление звукового сигнала частотой выше 100 Гц и недостаток уровня ниже этой частоты. На рисунке 10 показано АЧХ звукового давления головки в фазоинверторном исполнении. На частоте, примерно 130 Гц наблюдается небольшой подъем, затем резкий спад и неравномерности (пики, провалы) после этой частоты. Из этого следует сделать вывод, что ящик-фазоинвертор не может быть реализован по двум основным причинам – низкая его эффективность при объеме 4.5 дм3 и форма его АЧХ не в полной мере компенсируется передаточной функцией солона автомобиля.
Рис. 10. График АЧХ звукового давления доработанной головки в ящике-фазоинверторе внутренним объемом 4,5 дм3
Сама же головка легко выдерживает (без каких либо слышимых искажений и призвуков) сигнал подаваемый с усилителя на микросхеме TDA1568Q любых уровней!
Литература
1.Виноградова Э. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. – М.: Энергия, 1978.
2.Елютин А. На перекрестке двух частот. – Автозвук № 3 2006.
3.Макеев Л. Сабвуфер с фазоинвертором: расчет, настройка, типичные ошибки. – Журнал "Самиздат": http://81.176.66.169/m/makeew_l_a/1808.shtml.
Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина