О заполнении объёма закрытого ящика

Журнал "Автозвук" •  № 2 / 2006

ПРИРОДА НЕ ТЕРПИТ ПРОСТОТЫ

Простейшее, как считается, акустическое оформление, которое на самом деле - способ управления параметрами громкоговорителя, уже начинает показывать свой нрав. Но это - не конец. На самом деле, что мы потрудились подтвердить экспериментально, закрытый ящик и закрытый ящик с заполнением - два разных вида акустического оформления. Дело в том, что, помимо рассмотренного механизма влияния на сжимаемость среды в ящике, присутствие в нём чего-то рыхлого и пушистого неизбежно увеличивает и потери в системе, ведь акустическая энергия рассеивается на волокнах заполнителя так же, как энергия колебаний диффузора рассеивается в неидеально упругом материале подвеса или при прокачивании воздуха сквозь узкую щель магнитного зазора. Так что существует не один, а два механизма, по которым присутствие в ящике чего-то, кроме застоявшегося воздуха, влияет на параметры системы «головка - ящик».

Трудно было удержаться, чтобы не проверить опытным путём, как проявляются эти два механизма (впрочем, мы особенно и не старались удержаться). А заодно - дать хотя бы ориентиры ожидаемого эффекта заполнения ящика в зависимости от количества и качества заполняющего материала.

Опытным полигоном стала полочная колонка KEF Coda III из музея редакции. Классический случай acoustic suspension: у 8-дюймовой НЧ-головки собственная резонансная частота 34 Гц, эквивалентный объём - почти 80 л. Объём ящика - 19 л, то есть результирующая жёсткость на две трети определяется упругостью воздушного объёма. Это, конечно, не как у Вильчура, там - на 90%, но это было давно и для другого опыта.

Было закуплено некоторое количество синтепона, материала, наиболее часто используемого в практике заполнения, а у одного из дачников изъяты излишки теплоизоляционного материала Isover на основе стекловолокна.

Основательно распушённый (это оказалось важно) синтепон порциями, взвешиваемыми на электронных весах, добавлялся в ящик, после чего измерялись параметры акустической системы - резонансная частота и добротность.

С каждой новой порцией белого и пушистого материала и то и другое снижалось. Заметно. Потом полученные результаты загнали в «Эксель» и построили график относительного изменения параметров по сравнению с пустым ящиком как функцию плотности заполнения (в граммах на литр объёма). При заполнении синтепоном иссякли на отметке 18 г/л, при этом объём оказался заполнен практически полностью. Резонансная частота снизилась с 78 Гц до 70, то есть - на 9%. Классический вопрос: много это или мало? Взгляните: если вернуться к отвергнутой нами за невнятностью логике «виртуального увеличения объёма», легко посчитать, что для получения такого снижения частоты резонанса объём потребовалось бы сделать не 19, а 24 л. То есть - на 28% больше. А это - эффект, и весьма существенный. Что будет происходить при промежуточных значениях плотности набивки, легко снять с графика, который мы и предлагаем в качестве ориентира.

Однако, как говорили герои русских народных сказок, «Чу!». А вторая кривая, отражающая изменение добротности системы? Она-то куда провалилась? Если бы работал только один механизм, связанный с увеличением сжимаемости (снижением жёсткости) объёма, кривые для резонансной частоты и добротности шли бы рука об руку. Добротность падала бы в силу уменьшения общей доли упругих сил в системе. А она падает быстрее, это включился второй механизм, роста вязких потерь в ящике. Включился параллельно первому, при максимальном заполнении Qtc составила 84% от исходной, чтобы добиться такого простым увеличением объёма, его потребовалось бы увеличить до 31 л, что на 66% больше первоначального.

А теперь, пожалуйста, внимательно: мы обещали доказать, что ящик и ящик с заполнением - два разных вида акустического оформления. И только что доказали. Изменяя объём ящика (пустого), мы синхронно и строго пропорционально изменяем и резонансную частоту, и добротность. Изменить соотношение между ними простым воздушным объёмом - нельзя. А варьируя заполнением, мы изменяем добротность системы сильнее, чем резонансную частоту, и это более мощное, хотя и более хлопотное средство управления параметрами системы.

Опробовали мы и второй заготовленный материал, на основе стекловолокна. Из графика очевидно: всё происходит аналогично, но при вдвое меньшей плотности заполнения. На практике синтепон всё же лучше, после опыта с «Изовером» вся испытательная бригада чесалась, как три беспризорника.

Закончив чесаться, задали себе вопрос: а можно ли вычленить один из механизмов, по которому заполнение ящика влияет на параметры акустической системы?

Можно. Любой из двух. Представьте себе, что вы заполнили звукопоглощающим материалом открытый ящик. Тогда об упругости воздуха речь идти не будет, динамик работает на бесконечный объём, а вносимое звукопоглотителем вязкое сопротивление останется. Что получается? То, что названо панелью акустического сопротивления или же - апериодической нагрузкой. Она именно потому и называется апериодической, что в отличие от закрытого ящика упругости в систему не вносит, только потери. Для грубой, качественной оценки: вычтите из нижней кривой на любом из графиков верхнюю, и вы получите эффект от ПАС. К сожалению, достоверной методики расчёта и моделирования такого акустического оформления нет, один сплошной эмпиризм. Но удачные реализации - есть, они несколько раз всплывали на наших страницах.

Можно ли выделить второй механизм, тепловой? Тоже можно.

Материалы, использованные в опытах: распушённый синтепон (куплен в магазине «Ткани»), стекловата Isover (принесена добровольно спонсором), 40-микронная медная проволока (из загашников), пищевая фольга «Саянская» (её везде навалом) и активированный уголь в гранулах, для аквариумных фильтров. Из специализированного магазина. Подарен редакционному аквариумисту по окончании опытов

1500 МЕТРОВ ПРОВОДА И РЕКА СУНГАРИ

Для этого решили взять материал, у которого с теплоёмкостью полный порядок, а способность вносить акустические потери - под сомнением. В качестве такового выбрали очень тонкую медную проволоку. Сорок микрон в диаметре. Проволоку сматывали в бобины в четыре руки, а потом припахали к процессу не вовремя попавшегося на глаза эксперта журнала «Салон AV». К концу процесса получили очень красивую золотистую бороду массой чуть больше 30 граммов, в которой находилось полтора километра проволоки. Измерения показали: и резонансная частота, и, что важно, добротность изменились мало, но одинаково, снизившись примерно на 3%. То есть: тепловой механизм работал, а акустический - нет, какой из меди звукопоглотитель... Заменили медную проволоку алюминиевой фольгой, раз дело в отношении поверхности к объёму. Аналогичный эффект, только ещё более слабый, порядка 1,5% по обоим параметрам. Результат - чисто академической ценности, поскольку площадь поверхности заполнителя в обоих случаях была невелика: от 0,5 до 1 кв. м.

И тут произошло загрязнение окружающей среды. Не у нас, а на Дальнем Востоке, китайским бензолом. В новостях то и дело проскальзывало про запасы активированного угля, и нас осенило: отношение суммарной поверхности пор к объёму самое чумовое именно у сорбентов. В данном случае (посмотрели по справочной литературе) - до 1000 кв. м на 1 г массы.

Добыли нужного вещества в магазине для аквариумистов и приступили. Прошу поверить: только потом, обмолвившись где-то о творимых безобразиях, узнали, что ровно в этом направлении сейчас ведёт поиск фирма KEF (как в воду глядели, выбирая колонку для первой части эксперимента). Там это называется ACE (Acoustic Compliance Enhancement). Означает то же самое, о чём мы толкуем, и, главное, материал тот же - активированный уголь.

Для этого опыта мы взяли из машины одного из участников исследований 4-дюймовую головку Eton, поработавшую достаточно для стабилизации параметров, снарядили ею тестовый бокс объёмом 2,8 л и стали постепенно добавлять внутрь гранулированный активированный уголь. Результата (ещё не зная про KEF) ждали, но ждали слабенького. И были изрядно удивлены обнаруженным эффектом. Когда ящик оказался заполнен углём больше чем наполовину (1,5 л из 2,8), и резонансная частота, и добротность снизились на 6%, притом что глаза ясно видели, насколько уменьшился свободный объём внутри ящика. Если бы требовалось снизить резонансную частоту и добротность, увеличивая объём бокса, он для такого изменения должен был бы стать объёмом 3,6 л (против 2,8). При этом, как мы и ожидали, падение добротности обгоняло падение резонансной частоты совсем ненамного, то есть сорбент влиял, главным образом, на сжимаемость среды внутри ящика, а не на потери. Сюжет, однако...

Относительное изменение частоты резонанса и добротности акустики в зависимости от плотности заполнения. При использовании волокнистых материалов добротность падает быстрее, чем резонансная частота. Неожиданно сильный эффект от добавления в ящик активированного угля сказывается на Fc и Qtc почти одинаково