← Zpět na blog

Výpočty

Výpočty reprobeden krok za krokem: vzorce s příkladem

· 10 min čtení

Za každým simulátorem reprosoustav stojí hrstka vzorců, které spočítáš i na kalkulačce. Vyplatí se je znát: hned vidíš, jestli návrh dává smysl, a rozumíš, proč aplikace doporučuje určitou skříň. Všechno si spočítáme na jednom skutečném reproduktoru, basovém Tang Band W5-1138SMF z mého deníku stavby.

1. Parametry, které potřebuješ

Thiele-Smallovy parametry vezmi z katalogu nebo z měření:

ParametrVýznamW5-1138SMF
fsrezonance ve volném prostoru45 Hz
Qms, Qesmechanický a elektrický činitel jakosti3,56 a 0,57
Vasobjem vzduchu se stejnou tuhostí jako závěs4,81 l
Sdefektivní plocha membrány94 cm²
Xmaxlineární výchylka, jedním směrem9,25 mm
Restejnosměrný odpor kmitací cívky3,4 Ω

Celkový činitel jakosti je Qts = Qms · Qes / (Qms + Qes), tady 3,56 · 0,57 / 4,13 = 0,49. Zdvihový objem je Vd = Sd · Xmax = 94 cm² · 0,925 cm = 87 cm³. Tolik vzduchu membrána vytlačí při plné výchylce a to určuje, jak hlasitě může reproduktor hrát v basech.

Hrubé pravidlo: Qts pod 0,4 se hodí pro basreflex, 0,4 až 0,7 pro uzavřenou ozvučnici i basreflex, nad 0,7 pro uzavřenou ozvučnici nebo otevřenou ozvučnici. Je to vodítko, ne zákon.

2. Uzavřená ozvučnice

Vzduch ve skříni přidává membráně tuhost. Poměr poddajností je α = Vas / Vb a z něj:

  • Qtc = Qts · √(α + 1), činitel jakosti ve skříni,
  • fc = fs · √(α + 1), rezonance ve skříni,
  • a obráceně potřebný objem: Vb = Vas / ((Qtc / Qts)² − 1).

Pro náš basový reproduktor při různých cílových Qtc:

QtcObjem VbfcBod −3 dBCharakter
0,57712,7 l53 Hz67 Hzpozvolný pokles, nejlepší impulzy
0,7074,5 l65 Hz65 HzButterworth, nejrovnější průběh
0,82,9 l73 Hz66 Hzmírný hrb, „plnější“ basy
1,01,5 l92 Hz72 Hzhrb +1,2 dB, dunivější basy

Zajímavé je, že třikrát větší skříň (12,7 l místo 4,5 l) nehraje hlouběji, jen pozvolněji klesá. V místnosti to může být výhoda: místnost zvedá basy pod 50 Hz a pozvolný pokles se s tím dobře doplňuje. Tlumicí materiál zvětšuje „akustický“ objem zhruba o 15 až 25 %, takže vyplněná skříň se chová, jako by byla o něco větší.

3. Basreflex

Nátrubek spolu se vzduchem ve skříni tvoří Helmholtzův rezonátor. Jeho naladění je

fb = c / (2π) · √(Sp / (Vb · Leff)),

kde Sp je plocha nátrubku, Leff jeho délka včetně koncové korekce a c = 343 m/s. V praxi se používá tvar, který dává délku trubky přímo:

Lv = 23 562,5 · D² · N / (fb² · Vb) − 0,732 · D (Lv a D v cm, Vb v litrech, N počet nátrubků).

Pro skříň 9,5 l naladěnou na 43 Hz vychází:

NátrubekDélkaRychlost vzduchu*Rezonance trubky
1 × 50 mm29,9 cm12 m/sasi 570 Hz
1 × 40 mm18,5 cm19 m/sasi 930 Hz
2 × 25 mm14,9 cm24 m/sasi 1 150 Hz

* Odhad pro nejhorší případ: v ≈ 2π · fb · Vd / Sp, celý zdvihový objem membrány protlačený nátrubkem. Bezpečná mez je asi 17 m/s, tedy 5 % rychlosti zvuku. Nad ní nátrubek při vyšší hlasitosti funí a syčí.

Tady je vidět klasické dilema malé skříně: široký nátrubek, který zůstane tichý, je dlouhý skoro 30 cm a do skříně hluboké 286 mm se nevejde ani zalomený. Úzké nátrubky se vejdou, ale budou funět. Vlastní rezonance trubky, zhruba c / (2 · L), navíc proniká přes membránu do středů. Proto jsem v této reprosoustavě použil pasivní membránu.

4. Pasivní membrána

Pasivní membrána je kmitací systém bez magnetu, který nahrazuje vzduch v nátrubku. Její naladění určuje hmotnost: čím těžší, tím nižší fb. Dvě pravidla:

  • Zdvihový objem pasivní membrány by měl být aspoň 1,5 až 2krát větší než u basového reproduktoru. SB15SFCR-00 má 196 cm³ proti 87 cm³ basového reproduktoru, tedy 2,25krát víc.
  • Pod fb klesá průběh strměji než s nátrubkem a těsně pod fb má pasivní membrána vlastní rezonanci, která vytváří zářez. Pod svým naladěním proto reprosoustava basy „odřízne“ ostřeji.

Výhody: žádný šum proudění ani rezonance trubky a naladění lze doladit přidáním závaží.

5. Čtvrtvlnné vedení (TQWT, TL)

Vedení uzavřené na jednom konci a otevřené na druhém rezonuje, když je jeho délka čtvrtinou vlnové délky:

f ≈ c / (4 · L)

Vedení v Needle je dlouhé 1 746 mm, tedy 343 / (4 · 1,746) = 49 Hz. Skutečné naladění mírně posouvá zúžení, poloha reproduktoru podél vedení a ústí. Tyto vlivy přesně popsal Martin J. King ve svých modelech vedení. Loudsmith počítá vedení po úsecích, s tlumením, a s měřením impedance od ADW se shoduje do 0,2 Ω.

6. Baffle step

Na nízkých kmitočtech vyzařuje reproduktor do všech směrů, na vysokých jen dopředu. Přechod leží kolem

f3 ≈ 115 / W (W je šířka čelní desky v metrech)

a pod ním úroveň klesá až o 6 dB. Pro čelní desku 190 mm je to asi 605 Hz, pro úzkou Needle (160 mm) asi 720 Hz. U stěny je ztráta menší, proto se ve výhybce obvykle kompenzuje jen o 2 až 4 dB. Kromě samotného přechodu se vlna odráží od hran a způsobuje zvlnění ve středech a výškách. Zaoblené hrany a výškový reproduktor mimo střed ho zmenšují.

7. Citlivost z parametrů a Hoffmanův zákon

Referenční účinnost vyplývá přímo z parametrů:

η₀ = 4π² / c³ · fs³ · Vas / Qes a citlivost SPL = 112,1 + 10 · log₁₀(η₀) dB/1 W/1 m.

Pro W5-1138SMF: η₀ = 0,075 %, tedy 80,9 dB/1 W. Při 2,83 V do 3,4 Ω dostane reproduktor 2,35 W, což přidá 3,7 dB a dává 84,6 dB. Výrobce uvádí 85 dB, takže výpočet sedí.

Ze vzorce je vidět Hoffmanův „železný zákon“: nemůžeš mít zároveň nízkou fs, malou skříň a vysokou citlivost. Basový reproduktor s velkým zdvihem a nízkou rezonancí v malé skříni vždy zaplatí citlivostí.

Co přidává Loudsmith

Vzorce výše jsou prvním přiblížením a na kontrolu návrhu úplně stačí. Aplikace jde dál:

  • Počítá celý elektroakustický obvod se ztrátami skříně, tlumením a indukčností kmitací cívky, a tedy i impedanci.
  • Porovnává až osm typů skříní najednou, včetně transmission line, TQWT, ML-TL a otevřené ozvučnice.
  • Kontroluje výchylku membrány, rychlost vzduchu v nátrubku a zpoždění basů při skutečném výkonu, nejen na kmitočtu naladění.
  • Odhaduje baffle step a odrazy od hran z rozměrů skříně a poloh reproduktorů.
  • Vybírá nátrubky z trubek, které se dají koupit, a kontroluje, že se vejdou.
  • A nakonec ukáže, jak se reprosoustava bude chovat ve tvé místnosti.

Další čtení

Nástroje zdarma: Plánovač místnosti · Měření reprosoustavy