Linia transmisji akustycznej

Diagram w widoku rozstrzelonym przedstawiający głośnik IMF Reference Standard Professional Monitor Mk IV autorstwa znanego pioniera w dziedzinie głośników linii transmisyjnych, Johna Wrighta (z IMF/TDL), z lat 70. Złożony kształt linii transmisyjnej pozwolił na pełny zakres częstotliwości od 17 Hz do „poza słyszalność” i czułość głośnika na poziomie 80 dB (określona jako 96 dB w odległości 1 metra dla 40 watów z różowym szumem). Wstawka przedstawia zdjęcie zmontowanego głośnika.

Akustyczna linia transmisyjna to zastosowanie długiego kanału, który działa jak falowód akustyczny i służy do wytwarzania lub przesyłania dźwięku w sposób niezakłócony. Technicznie rzecz biorąc, jest to akustyczny odpowiednik elektrycznej linii transmisyjnej , zwykle pomyślany jako kanał lub rura o sztywnych ścianach, która jest długa i cienka w stosunku do długości fali obecnego w niej dźwięku .

Przykłady technologii związanych z linią transmisyjną (TL) obejmują (w większości przestarzałą) tubę głosową , która przenosiła dźwięk w inne miejsce przy minimalnych stratach i zniekształceniach, instrumenty dęte, takie jak organy piszczałkowe , instrumenty dęte drewniane i blaszane , które można częściowo modelować jako transmisję linii (chociaż ich konstrukcja obejmuje również generowanie dźwięku, kontrolowanie jego barwy i skuteczne łączenie go z otwartą przestrzenią) oraz głośniki oparte na liniach transmisyjnych , które wykorzystują tę samą zasadę, aby wytwarzać dokładne rozszerzone niskie częstotliwości i unikać zniekształceń. Porównanie między kanałem akustycznym a elektryczną linią transmisyjną jest przydatne w modelowaniu systemów akustycznych z „elementami skupionymi”, w których elementy akustyczne, takie jak objętości, rury, tłoki i ekrany, można modelować jako pojedyncze elementy w obwodzie. Po podstawieniu ciśnienia na napięcie i objętościowej prędkości cząstek na prąd, równania są zasadniczo takie same. Elektryczne linie transmisyjne mogą być używane do opisu rur i kanałów akustycznych, pod warunkiem, że częstotliwość fal w rurze jest niższa od częstotliwości krytycznej, tak że są one czysto płaskie.

Zasady projektowania

Ryc. 1 - Zależność między długością TL a długością fali
Rys. 2 - Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej (wielkości) jednostki napędowej i wyjść TL

Odwrócenie fazy uzyskuje się poprzez wybranie długości linii równej jednej czwartej długości fali docelowej najniższej częstotliwości. Efekt ilustruje ryc. 1, który pokazuje twardą granicę na jednym końcu (głośnik) i otwarty przewód wentylacyjny na drugim. Zależność fazowa między przetwornikiem basowym a otworem wentylacyjnym jest zgodna w fazie w paśmie przepustowym, dopóki częstotliwość nie zbliży się do ćwierć długości fali, kiedy zależność osiągnie 90 stopni, jak pokazano. Jednak do tego czasu odpowietrznik wytwarza większość mocy wyjściowej (rys. 2). Ponieważ linia działa przez kilka oktaw z jednostką napędową, wychylenie stożka jest zmniejszone, zapewniając wyższy SPL i niższy poziom zniekształceń w porównaniu z konstrukcjami refleksyjnymi i nieskończonymi przegrodami.

Obliczenie długości linii wymaganej do określonego rozciągnięcia basu wydaje się proste, oparte na prostym wzorze:

Gdzie:

to częstotliwość dźwięku w hercach (Hz)
344 m ⁄ s to prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze 20 ° C
to długość linii przesyłowej w metrach .

Złożone obciążenie przetwornika basowego wymaga określonych parametrów przetwornika Thiele-Small, aby w pełni wykorzystać zalety konstrukcji TL. Większość jednostek napędowych dostępnych na rynku jest opracowywana z myślą o bardziej powszechnych konstrukcjach z przegrodami samostatecznymi i nieskończonymi i zwykle nie nadaje się do ładowania TL. Wysokowydajne przetworniki basowe o rozszerzonych możliwościach w zakresie niskich częstotliwości są zwykle projektowane jako niezwykle lekkie i elastyczne, z bardzo podatnymi zawieszeniami. Chociaż dobrze sprawdzają się w konstrukcji refleksyjnej, te cechy nie odpowiadają wymaganiom konstrukcji TL. Jednostka napędowa jest skutecznie sprzężona z długą kolumną powietrza, która ma masę. Obniża to częstotliwość rezonansową jednostki napędowej, eliminując potrzebę stosowania wysoce zgodnego urządzenia. Ponadto słup powietrza wywiera większą siłę na samego kierowcę niż kierowca otwierający się na dużą objętość powietrza (w uproszczeniu stawia większy opór próbie poruszenia go przez kierowcę), więc sterowanie ruchem powietrza wymaga niezwykle sztywny stożek, aby uniknąć deformacji i wynikających z tego zniekształceń.

Wprowadzenie materiałów absorpcyjnych zmniejsza prędkość dźwięku w linii, co odkrył Bailey w swojej oryginalnej pracy. Bradbury opublikował swoje obszerne testy w celu określenia tego efektu w artykule w Journal of the Audio Engineering Society (JAES) w 1976 roku, a jego wyniki potwierdziły, że silnie wytłumione linie mogą zmniejszyć prędkość dźwięku nawet o 50%, chociaż 35% to typowe dla linii o średnim tłumieniu. Testy Bradbury'ego przeprowadzono przy użyciu materiałów włóknistych, zazwyczaj wełny długowłosej i włókna szklanego. Jednak tego rodzaju materiały dają bardzo zmienne efekty, które nie są konsekwentnie powtarzalne do celów produkcyjnych. Mogą również powodować niespójności spowodowane ruchem, czynnikami klimatycznymi i skutkami w czasie. Pianki akustyczne o wysokiej specyfikacji, opracowane przez producentów głośników, takich jak PMC, o właściwościach podobnych do wełny długowłosej, zapewniają powtarzalne wyniki dla spójnej produkcji. Gęstość polimeru, średnica porów i rzeźbione profilowanie są określone, aby zapewnić odpowiednią absorpcję dla każdego modelu głośnika. Ilość i położenie pianki ma kluczowe znaczenie dla zaprojektowania dolnoprzepustowego filtra akustycznego, który zapewnia odpowiednie tłumienie wyższych częstotliwości basowych, jednocześnie umożliwiając niezakłóconą ścieżkę dla niskich częstotliwości basowych.

Odkrycie i rozwój

Ten obraz jest w rzeczywistości odwróconym złożonym rogiem. Można to stwierdzić po tym, jak gardło jest większe niż w pobliżu otworu portu. Prawdziwa obudowa linii transmisyjnej ma taką samą szerokość „wentylatora” na całej długości.

Koncepcja została nazwana „labiryntem akustycznym” przez firmę Stromberg-Carlson Co., gdy była używana w ich radiach konsolowych od 1936 r. (patrz http://www.radiomuseum.org/r/stromberg_acoustical_labyrinth_837.html ). Ten typ obudowy głośnika został zaproponowany w październiku 1965 roku przez dr AR Baileya i AH Radforda w czasopiśmie Wireless World (s. 483-486). W artykule postulowano, że energia z tyłu przetwornika może być zasadniczo absorbowana, bez tłumienia ruchu stożka lub nakładania się wewnętrznych odbić i rezonansu, więc Bailey i Radford doszli do wniosku, że fala tylna może być skierowana w dół długą rurą. Gdyby energia akustyczna została pochłonięta, nie byłaby dostępna do wzbudzenia rezonansów. Rurę o wystarczającej długości można było zwężać i napychać tak, aby utrata energii była prawie całkowita, minimalizując moc wyjściową z otwartego końca. Nie ustalono szerokiego konsensusu co do idealnego zwężenia (rozszerzającego się, jednolitego przekroju lub kurczenia).

Używa

Projekt głośnika

Główny artykuł: Głośnik linii transmisyjnej

Akustyczne linie transmisyjne zwróciły uwagę na ich zastosowanie w głośnikach w latach 60. i 70. XX wieku. W 1965 roku artykuł AR Baileya w Wireless World, „A Non-resonant Loudspeaker Enclosure Design”, szczegółowo opisywał działającą linię transmisyjną, która została skomercjalizowana przez Johna Wrighta i partnerów pod marką IMF, a później TDL, i była sprzedawana przez audiofila Irvinga M. „Bud” smażony w Stanach Zjednoczonych.

Linia transmisyjna jest stosowana w konstrukcjach głośników w celu zmniejszenia zniekształceń związanych z czasem, fazą i rezonansem, a także w wielu konstrukcjach w celu uzyskania wyjątkowego rozciągnięcia basów w dolnym zakresie ludzkiego słuchu, aw niektórych przypadkach w pobliżu infradźwięków (poniżej 20 Hz ) . Gama głośników referencyjnych TDL z lat 80. (obecnie wycofana) obejmowała modele o zakresie częstotliwości od 20 Hz w górę do 7 Hz w górę, bez konieczności stosowania oddzielnego subwoofera . Irving M. Fried , zwolennik projektowania TL, stwierdził, że:

„Uważam, że głośniki powinny zachować integralność kształtu fali sygnału, a Audio Perfectionist Journal przedstawił wiele informacji na temat znaczenia wydajności w domenie czasowej w głośnikach. Nie jestem jedyną osobą, która docenia dokładność czasową i fazową mówców, ale w ostatnich latach byłem praktycznie jedynym orędownikiem, który wypowiadał się w prasie. Jest ku temu powód.

W praktyce kanał jest zagięty wewnątrz obudowy o konwencjonalnym kształcie, tak że otwarty koniec kanału wygląda jak otwór wentylacyjny w obudowie głośnika. Kanał można złożyć na wiele sposobów, a linia jest często zwężana w przekroju, aby uniknąć równoległych powierzchni wewnętrznych, które sprzyjają powstawaniu fal stojących. W zależności od jednostki napędowej i ilości – oraz różnych właściwości fizycznych – materiału chłonnego, wielkość stożka zostanie dostosowana podczas procesu projektowania w celu dostrojenia kanału w celu wyeliminowania nieprawidłowości w jego odpowiedzi. Wewnętrzne przegrody zapewniają znaczne usztywnienie całej konstrukcji, zmniejszając wyginanie się obudowy i zabarwienie. Wewnętrzne powierzchnie kanału lub linii są pokryte materiałem chłonnym, aby zapewnić prawidłowe zakończenie z częstotliwością, aby załadować jednostkę napędową jako TL. Teoretycznie idealny TL pochłaniałby wszystkie częstotliwości wchodzące do linii z tyłu jednostki napędowej, ale pozostaje teoretyczny, ponieważ musiałby być nieskończenie długi. Fizyczne ograniczenia rzeczywistego świata wymagają, aby długość linii była często mniejsza niż 4 metry, zanim obudowa stanie się zbyt duża do jakichkolwiek praktycznych zastosowań, więc nie cała energia z tyłu może zostać pochłonięta przez linię. W zrealizowanym TL tylko wyższy bas jest obciążony TL w prawdziwym tego słowa znaczeniu (tj. w pełni pochłonięty); niski bas może swobodnie promieniować z otworu wentylacyjnego w obudowie. Linia działa zatem skutecznie jako filtr dolnoprzepustowy, w rzeczywistości kolejny punkt zwrotnicy, osiągnięty akustycznie przez linię i jej wypełnienie chłonne. Poniżej tego „punktu podziału” niski bas jest ładowany przez kolumnę powietrza utworzoną przez długość linii. Długość jest określona tak, aby odwrócić fazę tylnego wyjścia jednostki napędowej, gdy wychodzi ona z otworu wentylacyjnego. Energia ta łączy się z mocą wyjściową jednostki basowej, rozszerzając jej odpowiedź i skutecznie tworząc drugi przetwornik.

Kanały dźwiękowe jako linie przesyłowe

Kanał propagacji dźwięku zachowuje się również jak linia transmisyjna (np. kanał klimatyzacji, tłumik samochodowy, ...). Jego długość może być podobna do długości fali przechodzącego przez niego dźwięku, ale wymiary jego przekroju są zwykle mniejsze niż jedna czwarta długości fali. Dźwięk jest wprowadzany na jednym końcu rury, powodując zmianę ciśnienia w całym przekroju poprzecznym w czasie. Prawie płaskie czoło fali przemieszcza się wzdłuż linii z prędkością dźwięku. Gdy fala dociera do końca linii transmisyjnej, zachowanie zależy od tego, co znajduje się na końcu linii. Możliwe są trzy scenariusze:

  1. Częstotliwość impulsu generowanego na przetworniku skutkuje pikiem ciśnienia na wyjściu z końcówki (rezonans otwartej rury nieparzystej harmonicznej), co skutkuje efektywnie niską impedancją akustyczną kanału i wysokim poziomem przenoszenia energii.
  2. Częstotliwość impulsu generowanego na przetworniku powoduje zerowe ciśnienie na wyjściu końcowym (antyrezonans harmonicznej parzystej otwartej rury), co skutkuje efektywnie wysoką impedancją akustyczną kanału i niskim poziomem przenoszenia energii.
  3. Częstotliwość impulsu generowanego na przetworniku nie daje ani szczytu, ani zera, w którym transfer energii jest nominalny lub zgodny z typowym rozpraszaniem energii w odległości od źródła.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Acoustic_transmission_line&oldid=1141324599 ”