Вибрации, возникающие из-за силы противодействия динамика

Анализ передней панели громкоговорителя, которая несет на себе динамики, представляет собой гораздо более сложную задачу, нежели для боковых или задней стенок. Мы имеем прямоугольную пластину с отверстием посередине, а также закрепленной там же дополнительной массой (самого излучателя). Пластина испытывает те же нагрузки, которые обсуждались выше, и, кроме них, еще и действие «реактивной» силы динамика. Самое важное, что мы здесь видим применение закона Ньютона, согласно которому всякое действие вызывает противоположную реакцию точно такой же величины. Сила, перемещающая диффузор, обязательно создает противодействие, которое и оказывает дополнительную нагрузку на переднюю панель. Более того, головка сама по себе имеет свою жесткость и массу, которые, в общем случае, отличаются от свойств материала, вырезанного из панели для монтажа динамика. Для исследования этой проблемы десятидюймовый низкочастотник Jensen с массой подвижной системы 20 граммов был смонтирован в центре ¾-дюймовой передней панели вышеописанного корпуса объемом 82 л. При помощи контактного звукоснимателя резонанс вновь был обнаружен на частоте примерно 120 Гц (соответствующей резонансной частоте задней стенки). Однако, второй резонанс (соответствующий основному передней панели), переместился по частоте с 180 Гц до 130 Гц. Несомненно, что с отверстиями для твитеров и портами, теоретическое предсказание резонансной частоты передней стенки становится чрезвычайно трудным, если не невозможным. Говоря в общем, отверстие уменьшает жесткость панели и, соответственно, снижает ее резонансную частоту так же, как и дополнительная сосредоточенная масса по центру.

Вибрации от перемещения других панелей

В ходе экспериментов, описанных выше, было замечено, что когда одна панель корпуса вибрирует на резонансной частоте, сильные вибрации наблюдаются также и у остальных стенок. Хотя мы анализировали панели корпуса как отдельные пластины, на практике они не разделены, а, напротив, прочно соединены друг с другом по углам корпуса. Возможно возникновение таких мод, которые «задействуют» сразу две и более стенки. Тем не менее, предыдущие исследования поддерживают вывод, что частоты основных резонансов отдельных панелей наиболее критичны для корпуса в целом. На средних частотах (скажем, от 500 до 1000 Гц для исследованного нами корпуса) некоторые «смешанные» резонансы, затрагивающие более одной панели, несомненно, присутствовали, но их наличие было признано нестабильным.

Дополнительные замечания

Существуют и другие элементы, влияющие на вибрации стенок окончательно изготовленного корпуса. Они включают в себя демпфирование, внутреннее поглощение и дополнительные ребра жесткости.

Демпфирующий эффект присущ всем материалам и варьируется в широких пределах. Следует обратить внимание на два результата от демпфирования. «Затягивание», или стремление стенок продолжать вибрировать на резонансной частоте после того, как исчезла вызвавшая вибрацию сила, предотвращается или уменьшается высоким демпфированием материала панели. Также демпфирование ведет к снижению вибраций панелей и, следовательно, уменьшению интерференции между переизлученной стенкой акустической энергией и предполагаемым выходным сигналом громкоговорителя. Муар [статья в предыдущем номере М12В] обсуждает демпфирующие характеристики древесины разных пород.

Внутреннее поглощение обеспечивается путем заполнения корпуса звукопоглощающими материалами, такими как стекловата или покрытия стенок корпуса этими же материалами. Таппан показывает, как подобный звукопоглощающий материал может уменьшить резонансный отклик панелей. Несмотря на это, снижение на 1 дБ или около того, достигнутое Таппаном, нельзя признать слишком уж значительным, и во многих случаях заполнение корпуса стекловатой не дает такого ощутимого улучшения, как это порой рекламируется.

Ребра жесткости представляются наиболее эффективным из простых способов уменьшения резонансных эффектов. Принимая во внимание рис. 1, можно заметить, что ребро жесткости, выполненное вдоль длинной стороны панели, действует весьма эффективно и дает увеличение резонансной частоты в 2,5‑3 раза по сравнению с панелью без таких элементов. По рис. 2 можно определить, что, если максимальное расстояние между ребрами жесткости уменьшить до 25 сантиметров, то основные резонансные частоты панели поднимутся выше 1000 Гц.

Относительно грамотного размещения ребер жесткости и переборок следует сделать несколько замечаний. Стенки корпуса, идентичного протестированному ранее, были дополнительно укреплены планками из сосны сечением 25 х 50 мм, прикрученными шурупами длиной 25 мм с интервалом между ребрами жесткости 75 мм. Планки устанавливались длинной стороной перпендикулярно панели. Резонансные частоты возросли лишь слегка (на 10‑20 Гц). Это подчеркивает, что ребра жесткости должны быть намного более жесткими на изгиб, и, поскольку условия закрепления краев стенки являются наиболее важными, желательна и более высокая жесткость на кручение. Предполагается также, что возможно использование алюминиевых или стальных элементов корпуса, хотя это еще не было исследовано экспериментально.

В заключение следует заметить, что основные резонансные частоты пропорциональны квадратному корню жесткости панели, деленному на массу панели на единицу площади. Это предполагает, что, используя очень жесткий и одновременно легкий материал, можно увеличить основную частоту за пределы «проблемной области». Использование легких панелей «сэндвичевой» конструкции, как предлагает Таппан, может выполнить эту задачу еще лучше, хотя, опять же, пока не получило подтверждения на практике.

Выводы

Первичная проблема вибраций корпуса вызвана резонансами его стенок. Если подобный резонанс возникает на относительно высоких частотах (выше 1000 Гц), вибрации оказываются незначительными.

Конструкторам корпусов доступны два параметра – свойства материала и размеры панелей. Для увеличения резонансных частот панелей следует выбирать легкие и жесткие материалы, причем размеры неукрепленных участков нужно стараться сокращать до минимума путем грамотного использования ребер жесткости. Вторым способом уменьшения резонансов является использование звукопоглощающего наполнителя или обивки им стенок, а также применение для панелей материалов с высоким демпфированием. Высокое демпфирование предотвращает возникновение «послезвучий» корпуса.

JAES, April 1973, Vol. 21, # 3, p.p. 177-180

[1][*] Goodmans Industries Ltd.