A hangdoboz hangolása

2006. január 31.

Az akusztikus rövidzár

A nyitott kosarú hangszóró doboz nélkül nem képes mélyhangok lesugárzására. Amikor a membrán előrefelé mozdul, az előtte lévő légtömeget összenyomná, miközben a membrán mögött a membrán ellentétes irányú mozgása miatt a légsűrűség ritkul. A mélytartományban a levegő mozgása annyira lassú, hogy doboz nélkül a membrán előtt összenyomott levegő egyszerűen "átvándorol" a membrán mögé, ezzel kiegyenlítve a légnyomást. Az eredmény hang nélkül mozgó levegő. Ezt a jelenséget nevezik akusztikus rövidzárnak. Onnantól, hogy a hang hullámhossza összemérhetővé válik a membrán átmérőjével a jelenség egyre kevésbé érvényesül.

Egy másik megközelítés szerint az akusztikus rövidzár azért alakul ki, mert a hangszóró membránjának két-két fele azonos amplitúdójú, de ellentétes fázisú hanghullámokat gerjeszt. Mivel a membrán átmérőjénél nagyobb hullámhosszú hangok (mélyhangok) nem irányítottak, ezért a membrán két fele által keltett hangnyomás összeadódik. Két azonos amplitúdójú, ellentétes fázisú hang összege 0.

A rövidzár megszüntetése

Az akusztikus rövidzár megszüntetéséhez a membrán eleje és hátulja által sugárzott hangot el kell választani egymástól. Ennek egyik elméleti módja a hangfal (nem a hangdoboz!), amikor a hangszóró egy "végtelen" falba van beépítve. Mivel ekkor a membán két különböző légtérbe sugároz a légnyomás nem tud kiegyenlítődni.

A hangfal "összehajtogatásával" jön létre zárt hangdoboz. A zárt dobozból a hanghullámok nem tudnak kijutni, a hangsugárzásban csak a membrán látható oldala vesz részt.

Ez pazarlás, hiszen így a hanghullámok fele kárba vész, tovább rontva az elektrodinamikus hangszórók amúgy sem túl jó hatásfokát. Ezen hanghullámok felhasználásának legegyszerűbb módja a basszus-reflex (röviden reflex) doboz, mely a zárt dobozban elvesztegetett hangnyomást a mélytartományt kiterjesztésére használja fel.

Paraméterek

Egy hangdoboz basszus átvitelét általában az F3 ponttal jellemzik. Ez az a frekvencia, ahol a hangdoboz átvitele 3 dB-lel az átlagos érzékenysége alá csökken, hagyományosan ezt szokás alsó határfrekvenciának nevezni.

A tranziens átvitel a hangdoboz bemenő jelben bekövetkező egységnyi jelváltozásra adott válasza. Minél gyorsabban és minél kevesebb túllövéssel követi a jelalakot annál feszesebb és pontosabb a hangdoboz hangja.

A zárt doboz

A hangszóró önmaga egy rezonáns rendszer (ezért van rezonancia frekvenciája). Ezt a rezgő rendszert (melyet Fs és Qts jellemez) hangolja a zárt doboz. A dobozba zárt levegő rugóként viselkedik, így csökkentve a hangszóró engedékenységét. Ebből következik, hogy az új rezgő rendszer (azaz a zárt dobozba épített hangszóró) rezonancia frekvenciája (Fb) és jósága (Qtc) mindenképpen nagyobb lesz, mint a csupasz hangszóróé.

A diagramon megfigyelhető az átviteli karakterisztika változása az egyes hangolások esetén. Minél nagyobb a doboz annál kisebb a jóság és ahogy Qtc csökken, úgy közelít a dobozba épített hangszóró rezonancia frekvenciája a szabadon mérthez. Végtelen nagy dobozban (hangfalban) Qtc = Qts, Fb = Fs.

  • Qtc = 0,5
  • Qtc = 0,707
  • Qtc = 0,8
  • Qtc = 1
  • Qtc = 1,3
10 Hz100 Hz60 dB70 dB80 dB90 dB100 dB110 dB
Zárt doboz: frekvencia átviteli görbe

A hangszóró önmagában egy másodfokú felüláteresztő szűrő, melynek töréspontja Fs, jósága pedig Qts. A zárt doboz ezt a szűrőt hangolja Fb töréspontra és Qtc jóságra. Ha ez így most még kínai, a szűrőkről itt olvashatsz. A lényeg, hogy a másodfokú felüláteresztő szűrő törésponti frekvenciája alatt a hangnyomás 12 dB-lel csökken oktávonként. Az esés mindig 12 dB/oktáv, jóságtól függetlenül. A hangolással két dolgot lehet befolyásolni:

  • Hol legyen a rezonancia frekvencia (töréspont);
  • Mekkora legyen a hangnyomás a rezonancia frekvencián (jóság).

A zárt doboz "klasszikus" hangolása az akusztikus felfüggesztés. Ekkor a doboz térfogata (Vb) = Vas / 3. A doboz légrugója keményen fogja a membránt, sok esetben ezzel már eleve ideális hangolás adódik. Kiindulópontnak mindenképpen tökéletes, a szimulátor eredményei alapján lehet rajta finomítani.

A hangolt jóság (Qtc) és az általa kialakított frekvencia átviteli görbe alapvetően meghatározza a membrán maximális kitérését. A dobozméret növelésével a légrugó egyre kevésbé csillapít. Nagy teljesítmény mellett alacsony frekvenciákon viszonylag könnyen elérhető a maximális mechanikai kitérés (Xmech).

  • Qtc = 0,5
  • Qtc = 0,707
  • Qtc = 0,8
  • Qtc = 1
  • Qtc = 1,3
  • Xmax
10 Hz100 Hz0 mm2 mm4 mm6 mm8 mm10 mm
Zárt doboz: membrán kitérés

Qtc-nek vannak "kitüntetett" értékei. 0,5-nél lesz legjobb a tranziens átvitel. Ekkor a hangnyomás a törésponti frekvencián 6 dB-el alacsonyabb a névlegesnél. A következő kitüntetett érték a 0,707, ekkor Fb = F3, a törésponti frekvencián a hangnyomás 3 dB-el alacsonyabb a névlegesnél. Ezzel a hangolással érhető el a legalacsonyabb alsó határfrekvencia. A tranziens átvitel csupán enyhe túllövést mutat. Qtc = 1 esetén a törésponti frekvencián a hangnyomás megegyezik a névleges hangnyomással, viszont nem sokkal felette megjelenik egy 1,25 dB-es kiemelés (csúcs).

  • Qtc = 0,5
  • Qtc = 0,707
  • Qtc = 0,8
  • Qtc = 1
  • Qtc = 1,3
0 s0.01 s0.02 s0.03 s0.04 s-0.300.30.6
Zárt doboz: tranziens átvitel

Az optimális kompromisszum a 0,707-es Qtc, általában erre érdemes törekedni. Persze akkor sincs feltétlenül gond, ha ez a hangszóró paraméterei vagy egyéb praktikus okokból nem elérhető. Egy 0,8-as Qtc majdnem olyan jó, mint a 0,707. F3 csak minimálisan növekszik és a csúcs is elhanyagolható (0,2 dB). Efelett viszont már mérlegelni kell, esetleg el kell gondolkodni azon, hogy megfelelő-e a hangszóró. Qtc = 1 fölé csak akkor menj, ha tényleg tudod, mit csinálsz. 0,707 alá sem nagyon érdemes hangolni. Az Fb alatti nyereség és a minimálisan jobb tranziens átvitel a gyakorlatban nem kárpótol az Fb feletti veszteségekért és a csillapítatlanabb membránért.

A zárt doboz előnyei

  • Egyszerű, kisebb hibákat jól toleráló konstrukció (ha a 0,707-es Qtc helyett 0,6 vagy 0,8 sikerül, az gyakorlatilag észrevehetetlen).
  • 12 dB/oktáv meredekségű átviteli görbe, F3 alatt is képes még érzékelhető hangnyomást előállítani.
  • Általában kisebb doboz kell neki, mint a reflexnek.
  • A magasabb jóságú (Qts = 0,5 - 0,6) hangszórók többnyire csak zárt dobozban használhatóak jól.
  • Gyors lefutású, durva túllövésektől mentes tranziens válasz (Qtc < 0,8 esetén).
  • A dobozban lévő levegő nem enged túlzott membránkitérést (Qtc > 0,7 esetén).
  • Kisebb helyiségekben a room gain akár linearizálhatja az átvitelt (elsősorban autóhifiben használható ki).

A zárt doboz hátrányai

  • Az elérhető alsó határfrekvencia jellemzően 0,5 - 1 oktávval magasabb, mint reflex dobozban.
  • A 0,4-es jóság alatti hangszórók csak extrém alacsony Fs esetén tudnak kellően mélyre menni.
  • A manapság gyártott hangszórók túlnyomó többsége reflex dobozhoz optimalizált T/S paraméterekkel rendelkezik, nagyon ritka a zárt dobozba való minőségi hangszóró.

A reflex doboz

A reflex doboz fizikailag pusztán egy csővel több a zártnál, mely a dobozba zárt hanghullámok egy részét engedi ki. A cső a benne és a dobozban lévő levegővel egy olyan második rezgő rendszert alkot, mely egy nagyon szűk frekvenciatartományt enged csak át (hangolási frekvencia). Megfelelő hangolás esetén a csövön kilépő hangok összeadódnak a membrán közvetlenül sugárzó oldala által létrehozott hanggal, így a zárt dobozhoz képest a hangszóró mélyfrekvenciás átvitele kb. fél-egy oktávval kiterjeszthető.

Ennek ára a negyedrendű felüláteresztő karakterisztika: a reflex doboz hangnyomása a hangolási frekvencia alatt 24 dB/oktáv meredekséggel csökken. Ez azt jelenti, hogy F3 pont alatt a reflexdoboz gyakorlatilag "halott", nem állít elő számottevő hangnyomást.

Reflex dobozba jellemzően a Qts = 0,4 alatti hangszórók építhetőek, de mint mindig, itt is vannak kivételek. A klasszikus méretezés szerint ha Qts = 0,383, akkor a dobozméret (Vb) = Vas * 0,707, a rendszer és a cső hangolási frekvenciája (Fb/Fp) pedig megegyezik a a hangszóró rezonancia frekvenciával. Ebben a méretezésben ugyanitt lesz a hangdoboz alsó határfrekvenciája (Fb = Fp = Fs = F3). A reflex doboz egyik előnye a flexibilitás, a reflexcsövet tetszés szerinti frekvenciára lehet hangolni a megcélzott alsó határfrekvencia illetve mechanikus terhelhetőség függvényében.

  • Optimális hangolás
  • Kiterjesztett mélytartomány
  • Alacsony Qts
  • Magas Qts
10 Hz100 Hz60 dB70 dB80 dB90 dB100 dB110 dB
Reflex doboz: frekvencia átviteli görbe

Kék színnel az optimális hangolás. Az átviteli görbe valamivel 50 Hz feletti F3 mellett - mely egyúttal a törésponti frekvencia is - szép, 0,7 körüli jóságú 24 dB/oktávos szűrést eredményez. A görbén nincs sem völgy, sem csúcs. Bár hangolás szempontjából ez optimális, az így kapott 50 Hz feletti alsó határfrekvencia - amennyiben nincs kiegészítő mélynyomó - nem igazán. Zenehallgatáshoz készített önálló reflex doboznál érdemes 40 Hz vagy az alatti alsó határfrekvenciát megcélozni.

A zöld görbe egy olyan hangolást mutat, ami ugyanezzel a hangszóróval 40 Hz határfrekvenciát eredményez. Ezért cserébe lesz egy kis völgy az átvitelben, ami valószínűleg nem fog a gyakorlatban hallható problémát okozni. A hangolás legnagyobb hátránya a tranziens átvitel lecsengésére gyakorolt, a lenti ábrán jól látható negatív hatás.

A narancssárga görbe egy példa a hangolásra abban az esetben, ha a dobozt nem lehet optimális nagyságra méretezni vagy ha a hangszóró jósága az reflexhez optimálisnál magasabb. Ha a töréspont előtt ehhez hasonló széles csúcs áll elő, a tranziens átvitel elfogadható marad.

0,3 alatti Qts esetén is el lehet érni alacsony F3-at némi segítséggel az erősítőtől. Itt az átviteli görbét csökkenő tendenciára hangolva (lila), majd utólag némi mélyhangszínt / széles EQ-t használva elérhető az alacsony alsó határfrekvencia kis dobozméret mellett.

A fenti hangolásokhoz tartozó tranziens átvitelek láthatóak az ábrán. Minél nagyobb a cső által előállított hangnyomás, annál nagyobbak a túllövések. A túllövések lecsengésének hossza a hangolási frekvencián múlik (minél mélyebb, annál hosszabb). A tranziens átvitel a zárt dobozhoz képest mindenképpen rosszabb lesz.

  • Alacsony Qts
  • Magas Qts
  • Optimális hangolás
  • Kiterjesztett mélytartomány
0 s0.01 s0.02 s0.03 s0.04 s-0.300.30.6
Reflex doboz: tranziens átvitel

A membrán által végzett maximális kitérés szempontjából a reflex doboz hatása vegyes. A cső hangolási frekvenciáján a membrán alig vesz részt a hangképzésben, ezért itt a kitérés nagyon alacsony. Eddig a pontig kisebb a kitérés, mint zárt doboznál. A hangolási frekvencia alatt viszont a reflex doboz úgy viselkedik, mint egy hangfal: a membránt egyáltalán nem csillapítja.

  • Alacsony Qts
  • Kiterjesztett mélytartomány
  • Magas Qts
  • Optimális hangolás
  • Xmax
10 Hz100 Hz0 mm5 mm10 mm15 mm20 mm
Reflex doboz: membrán kitérés

A hangot a reflexcsövön keresztül mozgó levegő kelti. Minél több levegő mozog, annál nagyobb a hangnyomás. Bizonyos hangerő felett ez akadályba ütközik, mert a cső keresztmetszete korlátozza a légáramot. Ez kellemetlen recsegő hangot eredményez.

A grafikon a reflexcsövön átáramló levegő sebességét ábrázolja a frekvencia függvényében. A hangsebesség 5 illetve 7,5 %-a egyfajta határérték. Utóbbi túllépésekor garantált a recsegés, ezért mindenképpen ez alatt kell tartani, de ha lehetséges, 5 % alattira kell törekedni. A sebesség fordítottan arányos a cső keresztmetszetével. A zajok további csökkentésében segít a lekerekített (tölcséres) nyílású reflexcső alkalmazása is.

  • Reflexcső
  • 7,5 %
  • 5 %
10 Hz100 Hz0 m/s5 m/s10 m/s15 m/s20 m/s25 m/s30 m/s
A reflexcsőben mozgó levegő csúcssebessége

Maga a cső általában egyszerű műanyag ABS műanyag cső, de bármiből lehet, sőt, még csak kereknek sem kell lennie. A tervezés szempontjából a cső hossza és keresztmetszetének felülete a lényeges. Ez utóbbi egy 10 cm átmérőjű cső esetén pl. 78,5 cm² (az r² × π képletből). Ez helyettesíthető egy 10 × 7,8 cm-es téglalap alakú nyílással is, ami akár a doboz anyagából is kialakítható. Ekkor is kerülni kell azonban az éles, turbulenciát okozó sarkokat a reflexcsőben.

A reflex doboz előnyei

  • Alacsonyabb alsó határfrekvencia.
  • Kisebb membrán mozgás a hangolási frekvenciáig.
  • A legtöbb gyártó reflex dobozhoz optimalizálja a hangszórók paramétereit.

A reflex doboz hátrányai

  • Az alsó határfrekvencia alatt 24 dB/oktáv meredekségű esés.
  • Általában nagyobb hangdobozra van szükség.
  • Rosszabb tranziens viselkedés.
  • A hangolási hibákra érzékenyebb konstrukció, pontos T/S paraméterek szükségesek a tervezéshez.
  • A hangolási frekvencia alatt a membránt a doboz nem csillapítja.

Zárt vagy reflex?

Több előnyt soroltam fel a zártnál, mint a reflexnél, de ez nem jelenti azt, hogy az a jobb. Önmagában az alacsonyabb alsó határfrekvencia és a nagyobb hangszóró választék a legtöbb esetben a reflex hangolás felé billenti a mérleg nyelvét.

Hogy végül melyik hangolás jobb, az kizárólag a doboz céljától függ. Hagyományos sztereó rendszerben jó mélyeket zártban általában csak háromutas rendszerrel lehet elérni, így kétutasnál többnyire a reflex hangolás célszerűbb. Egy 2.1-es rendszer szatelitsugárzóinak viszont tökéletesen megfelel a kisebb és "fürgébb" zárt doboz, hiszen mélyben úgyis kiegészíti a dedikált mélynyomó.