一款HiFi箱的诞生历程：LEAP5设计篇（连载2）

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 17:59

LEAP5设计篇
依据前章得到的单元的T/S参数，把参数导入LEAP5里的单元库里。我习惯了使用APx测量的数据，平时的单体基础测量也多为DAYTON达通的V2。数据库使用TSL模式，这个模式多了音圈相关的内容，相对于标准模式在高频响应更为贴实一些，在设计中有时候需要带入分频网络来验证设计完整度。T/S参数测量一般使用3种模式算法，LEAP5单元库的TSL模式所需的参数，为：Wright2算法。AP分析仪和V2都可提供这样的模式（V2这个阻抗分析仪太超值了），使用TSL单元库，需要知道单元的两个物理量：Xgap和Xcoil/Xmax，看下图。接着就可以进入快速设计功能了‘Quick Design’,选择刚才所加入的单元。
自动给出了三种大类别的设计，按照给出的最低调谐频率以及可能需要的容积，QB3和bass shelf这两种模式都合适，QB3的调谐频率过高，虽然容积更小，但不符合HiFi的低频响应需求，所以考虑选择bass shelf较为合适（40hz的Fpf调谐可行性高）。看看系统Graph给出的响应曲线，bass shelf的F3跌落起始频点要比butterworth早很多，对低频的听觉响应很不利，那么是不是可以有一种设计，既能保持bass shelf的低频下限又能得到QB3的低频跌落的响应趋势了？分析一下，如果要两则混合，那么调整的主要方式就依赖箱体的容积，那么把容积设计在大于QB3和shelf给定的容积的中间值，是否就可行了，又或者按照shelf的参考容积，仅通过开口调整，把低频跌落响应设计成QB3了？？当然可以了。。把这两条曲线都保留下来，放到用户曲线库中。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:02

下一步进入到箱体设计窗口，我这边是保守给定了一个容积，主要还是考虑到系统的最大功率音圈的冲程问题。根据前章已经给出的箱体的宽度和高度，剩下就是深度以及腔内预估占用掉空间，还需要考虑到腔内吸音棉填充量的大小，并预知可能扩充‘等效容积’的范围，这需要根据平时所使用的材料做一份密度数据库。把容积控制在大于QB3小于shelf之间即可。看下图：
最终其深度也就需要300mm而已，整个箱体的外观也有较为合理的比例，加入了15mm板材的厚度。设计对应可使用的开口面积，这里使用了两个圆形的纸管。开口面积根据相关的文献资料，大于单元的有效振动面积的1/10，对于导向管的非线性问题影响就不会很大，再者开口的体积流速也较为好控制。该案例我选择80mm内径的纸管，壁厚2mm。
搞好这些了，就进入到运算分析设定窗口，做好基本需要分析计算的内容。这里面依据个人的所需做些相应的调整。（后面省略些非重点的内容，请各位网友自行查询一些网上的使用教程）

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:03

先看看刚才系统给出的参考的两条曲线，在SPL窗口上的样子，如果按照shelf的容积能够把响应设计成QB3的响应，那就完美了，对于低频响应而言，准3阶的butterworth响应低频更加饱满丰富。可以把绿色butter曲线向左平移对比一下。对比结果显然，butterworth的曲线F3在低频响应上是更具吸引人。那么接下来就看看能否实现这个响应曲线了。调整箱子喇叭和导向孔的布局，点计算。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:05

本帖最后由边缘人1666 于 2022-1-7 18:07 编辑

得到下面的结果。看图：
首先关注一下绿色的腔体内压力曲线，并未在腔内形成某些强共振点，说明目前箱体三维尺寸合适，后续就不担心腔内驻波共点问题了。第二看一下power Enc功率响应曲线，这里说明一下我为什么使用这条曲线而未使用频率传输响应；障板跌落响应是因为不具备全消声室的实力，从而无法得到实际测量响应相对应的数据。而功率响应就不同了，这条曲线等同于实际自然环境下的测量所得的低频平均响应，只需要有较好的强吸音或者半消声室的封闭环境，通过远近场合成/直接测量，就很容易得到贴合的数据。（导向管共振泄露和箱体加强会放到完结篇，单独讲解箱体的优化测量验证）Near Spkr和Near Port曲线分别是单元近场响应和导向孔近场响应，开口管的响应曲线（我使用了2根管子LEAP5仅能显示其一），图里显示导向管近场开口处有共振频率，是因为我打开了‘导向管反射’这个功能，在计算分析窗口的页面上的右下角选项里，毕竟实测参数还是需要考量的，为后期做导向管泄露优化设计做依据嘛。最后看一下功率响应和参考的QB3响应曲线，仿真出来的曲线灵敏度为90dB，而参考曲线是94dB这样，这是因为曲线的响应是源自单元的T/S上灵敏度所来的，通常灵敏度计算依赖中频的频段，所以，实际单元的低频响应并不会如T/S参数那样等直线灵敏度响应，灵敏度计算是按加权得来的。就不做太多关注，如需进一步了解的，可自行查阅相关资料。好，现在再一次对参考曲线进行向下移动，我们需要关注的所涉及的响应是否能够如预想的那样。参考曲线向下移动3.5dB，为90.5dB好方便比对。看看响应是否达成。看下图：
呵，跟之前的预期的基本一致，看来之前的设计算是达成了，很好。另外，系统的响应灵敏度90dB也达成。到此距离目标算完成了一小步了。在呈现这个结果的过程中，要自行调整导向管的直径和深度了，直到差不多为止了。接下来看看其它的数据。后面有更多更繁杂的事要做了，频响仅仅是入门基础条件之一。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:15

本帖最后由边缘人1666 于 2022-1-7 18:18 编辑

阻抗曲线：
看一下这里的阻抗曲线是否合理，给出几个数据：Fm谷的频点是：45.88hz，阻值：11.369Ω，所对应的相位角：-4.56°，最小阻抗在：8.415Ω@241hz（即为系统阻抗）。这几个数据点交代了几个明确的要求：1，预设方案里的标称阻抗≥6.4Ω目标达成，2，调谐频率Fm所对应的相位角仅偏离单元本身的Fs相位仅2°左右，（看前篇的喇叭参数）。这个Fm调谐频点通常紧挨着F3点或者一致，如果相移过大，以绝对0°为参考（即使喇叭本体的Fs相位角不为0°），也很容易导致低频响应的非线性变化，从而使得F3响应在不同功率层上会超过±3dB的变化甚至更大，Fm频点的相移尽可能的小。这还仅仅是低频非线性变化其中参数之一，后续还会罗列出更多的非线性因素分析。而设计的原则是不论单元的Fs相位角多大，在设计系统时的调谐频点所对应的相位角尽可能靠近0°，尤其当你决定遵从leap5的设计条件的框架内进行时。参考的数据和分析对象，看图1-2
对照上面两张数据，有没有发现谷的频点恰好对应着喇叭近场响应的最低值，（图3-4）以及对应着导向孔响应的最高值，而这个频点的相位几乎是重叠的，处在180°的翻转区，也就是说调谐以下的低频响应是由导向孔的辐射为主来提供的，这也就是为什么叫倒相箱的原因，而调谐频点之上的相位是几乎重叠的（看相位曲线），那么也就意味着两个条件；1，调谐频点的相位容错率很低，不可能给予很大的相移角度。2，该点的相位要稳定，在不同的功率层级上都必须要保持恒定的相角。假如偏差过大，就会导致F3区的低频响应出现很大的波动，进而影响到‘群延时’即；低频瞬态响应，所带来的直观听感就是低频不稳，甚至因较大幅度的相位偏移抵消所带来的低频听感上‘飘忽不定’的感觉，定位失准。目前仅为在1W/2.83V下的数据，其它的数据也给出图例。如果有心的diy玩家们，可以借由前面给出的参数模拟玩玩一下，难得一次的正儿八经落地的产品设计，学习交流一下！

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:21

以下图框做了明示，后续慢慢展开说明各个窗的功能用途。接下来所有的数据分析都是为了说明设计的合理性，以及围绕频响合理性做验证及可行性。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:22

占位

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 18:23

占位

dg4748 · 发表于 2022-1-7 18:37

Hiend的家用喇叭贵得要命，相对PA的布边加号角好像便宜很多

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 19:32

本帖最后由边缘人1666 于 2022-1-7 19:41 编辑

动态数据后处理分析。

   认识了各个数据功能窗了，下一步就开始进行动态数据的分步分析，进一步佐证系统设计的可用合理性。这里分别对1W,10W，50W,100W,150W进行一次计算分析，并对每一次的数据保存到用户曲线库中留用。这里我主要对四种曲线数据保存；功率响应Spl-Power Enc，系统阻抗Impedance Enc,群延时GroupDelay Enc，单元振幅Excursion Spkr。（其它数据实测和分析对绝大部分的diy玩家而言都不太现实，这里就不做介绍）。主要工作是对低频响应的分析，所以把不必要的曲线内容关闭，并缩小窗口带宽至1khz。下面对一些术语注释以便于文字量减少；F3；频响半功率角跌落-3dB频点，F10；系统最低工作截止频率-10dB，FL；阻抗曲线双峰中的低频峰频点，Fm；阻抗双峰间最低谷所对应的频率，Fh；阻抗双峰中的高频峰频点， Fm/ω：Fm所对应的相位角。看图1
   从1W的响应曲线里找出滑落-3dB点F3为47hz，截止频率F10为33hz，可以看出10W和1W基本一致的响应，50W，100W和150W这三条曲线的跌落响应曲线出现了细微的变化，F3和F10之间的跌落响应看起来有些不同，并且中频带看起来也视乎出现了轻微功率压缩。为了进行更为直观的比对，我们需要对4条功率响应做一元算法来进行归一化处理，数据将会在比率图呈现出来。看图2
   归一过来后，可看到变化最大的频点几乎就是F3，损失最大的达到2dB，并且伴随着中频出现1dB的功率压缩，且在100W和150W的F10也出现了近1dB的增幅，说明系统并非稳态线性的变化。还是得回到阻抗曲线看看出了哪些问题？看图3
   从上图看到随着功率的增加，振幅的加大，箱体内部的空气压缩和释放过程非等压线性过程，倒相管的进排气来不及交换对FL产生极大的变化，动生阻，FL25.9hz从1W的峰值57.38Ω直接被压低至150W的22.29Ω，并伴随着偏移2hz至27.3hz。阻抗的降低带来的变化就是响应的提升，这就解释了比率图的FL的1dB增幅，好在这样的结果在正向接受范围内。试着查看FL的相位角的变化率从1W的12°转移到150W的-5.3°，这可能给群延时带来些许不利的影响，即瞬态响应，看图4
   从0ms变化到11.6ms位于23hz出现了剧烈变化，而我们的截止频率F10为33hz，庆幸这种的非线性问题并不在我们系统设计范围内，观察F10区域附近的群延时，其实已经‘咬’的很紧。综上所述可佐证所使用的导向孔开口面积是合格，至少目前是这样的。对其40hz-50hz之间的Fm区出现轻微的‘膝’状拱起分析；因调谐比H并非一比一，随着功率的递增，FL向着高位偏移导致本该在Fs处反相短路本该停止振动确产生了轻微的振幅动作所带来的变化。这一点也能够从开口处响应的峰值顶点偏移能够观察到（所以对于Fm的相位控制就需要很精准且稳）。那么所需要做改变就是重新优化箱体的的调谐频率Fb，把调谐比H设为一比一，让系统工作钳制喇叭单元的Fs，即：Fb/Fsb=H。加大箱体或改变开口面积，或两者同时进行。（这里再次说一个diy颇有争议的问题：在1W的功率层设计等高，并不一定代表系统是最好，相反的，从实用意义出发点来看，几乎不太可能让音箱工作在1W功率里，那么按照听音的动态最小要求6dB来说，节目工作区的功率最小都需要增大到3W或以上，那么在设计系统的时候，建议是把等高的双峰设定在系统的节目功率范围内。再加上所需的听音声压，按照统计出来的功率层，大部分都会处在10W以上的声功率，这样才能满足正常的听音需求。所以，建议各位diy的玩家们，在得到1W的等高阻抗曲线时，应当再深入思考实际应用中的需求)。如果重新调谐系统把响应往下挪动5hz达到40hz不是不可以，前提是振幅。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 19:46

看振幅条件，图1
单元在150W的功率下，F10高达7.8mm的冲程，明显是超出了单元Xmax的最大冲程（7.5mm），这是极其危险的事（虽然软件模拟是正弦功率），再看100W的功率层下F10的振幅为：6.3mm。重做一次模拟运算当振幅达到7.5mm极限时大概功率层在130W大约。这就锁定了该系统的最大正弦功率范围，如果把调谐目标往下5hz，那么付出的代价将是最大功率很可能缩小至60-80W之内，这跟预设方案要求相违背，不满足使用要求，至此，妥协的第一原则是为产品实际应用需求为出发点。就目前为止，这样的设计是合规的，不那么完美而已。那么，如何解决或者说有没有什么其它可补偿的方法来解决‘比率图’里的因功率压缩导致的响应问题了？尤其是中低频的100hz-1Khz之间的频响损失近1dB的问题。注意观察50W和100W（因为这是节目工作的功率区）归一化频响，100W的中低频最大损失0.75dB和50W的0.38dB位于268Hz，单独观察阻抗图：图2
可看到当Fh以上阻抗曲线下降，相位角变负，单元阻抗类似于电容。紧接着降低至最低点位置（大约265hz）时，此时的音圈电感Lvc与单元的容性电抗构成了串联共振，最后由于音圈电感和其他与频率有关的效应的共同影响，阻抗曲线上升。到此，就好理解了模拟分频电路中的阻容电感元器件的用途了，那么是否加入分频网络后，是否就会抑制并改善因阻抗问题而带来的响应损失了。

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 19:59

尝试在LEAP5里加入简单的二阶低频网络：图1
带入2.0mh电感和18uf的电容。（这个是依据经验预判后期可能需要的分频设置）得出的结果如图2，从图上可观查到在中频区的阻抗变得很平直，起伏没那么大并且伴随着阻抗下降至7.8Ω。那这个对于频响和群延时有多大的影响，或者说改变了？图3，如图所示，群延时的变化可忽略不计，不影响到系统的瞬态响应问题，而频响归一化后得出的响应纹波在±0.25dB之内，加入分频网络后的上限Xover分频点也大致能够看出端倪，后续稍作调整即可达成预设目标。（图4）正面的优化设计得到好的结果，完成。

flscs1 · 发表于 2022-1-7 20:03

边缘人1666 发表于 2022-1-7 19:46
看振幅条件，图1
单元在150W的功率下，F10高达7.8mm的冲程，明显是超出了单元Xmax的最大冲程（7.5mm ...

非常严谨的分析，谢谢分享！

边缘人1666 · 发表于 2022-1-7 20:05

顺带看一下SPL图的优化结果，很有意思吧。从SPL响应里也能够看出后期的Xover分频点的大致设计框架了，当然了，你可以做更为精确的模拟仿真，这里就不在综述，结果不妨碍设计应用了。看到这里了，基本上就可以确立了工程试样。最后看一下导向孔的气流流速以及体积流等相关的数据，这里一般是以最大的振幅条件下来看。例如：导向管的气流是否会引起风噪，速度，加速度和体积流的线性变化等。
从开口的气流速度来看，是很和谐的设计并不会带来管道风噪，一般开口的气流速度小于1/10的声速，风噪可忽略不计。但，从阻抗曲线的非线性角度来看，开口面积越大，也意味着非线性问题也越小，大的开口所带来的不利因素主要是长度问题，可能会受限于箱体。从体积流曲线上看稍微有些不完美。但，这是妥协出来，还是以产品落地商用为主，结果导向能不能接受的问题了。
到此，模拟仿真设计完成，把箱体尺寸规格整理出来，交付给箱体厂打样实测了。等待。。。。。。后续实测篇