一款HiFi箱的诞生历程；腔内优化驻波泄露和箱振（连载4）

边缘人1666

箱体驻波共振
    只要是开口箱，都一定存在共振泄露，只是考量强度和影响程度大小与否而已。所做的工作是尽可能的降低泄露的影响，而不是杜绝。在实际应用中，并不是所有的共振都会导致破坏性问题，但它们无疑是存在的，知道它们所发生的频率有助于指导我们的调试工作。
      驻波是如何形成的；当特定频率的声音波长的一半恰好等于两平面之间距离的整倍数时，就会产生共振和驻波现象。这被称为轴向模式，它们都是沿着有限矩形空间内的主要轴向方向—长，宽，高---而存在的。声波在完全封闭的空间内形成驻波，完全封闭的意义是各个方向都有边界（声阻抗率大得多的硬边界或声阻抗率小得多的软边界）。大空间的驻波的性质，和讨论小空间中的驻波性质相似，都是把复杂的声压分布分解为若干基本分布形式，称为简正波或减振振动，了解简正波的特性，也就可求得简正波的综合，复杂驻波的性质了。简正波也是互相正交的简谐波，用于空间变化。（摘自‘现代声学理论基础’）
      共振
一个典型的赫姆霍兹共振器的形式就像是一个有细管或小开口的容器，但管部的空气的有效质量发生振动时，推动主腔体内的空气呈弹性振动，从而在开口处产生共振。在这里细管的空气质量很难界定的，由于管部的空气与外界和主腔体内空气（代表顺性）的‘柔性’连接，我们需要一种‘端部的校正’。在高声压级的情况下，开口处气流的进进出出会变成不再是板状的混乱状态，而管部空气的有效质量就会减少，进而影响到共振频率（这是反射式低音扬声器的一个显著的问题）。但我们仍然认为，管部的空气是可以看做是集总的质量；而主腔体内的空气则看做是集总的力顺----相当于弹簧的角色；另一个集总元件则是管中空气与管壁摩擦阻力。集总元件的概念仅仅适用于赫姆霍兹共振器尺寸大大小于波长的情况。在每个集总元件内部的任何地方，我们假设所有的情况都是相同的。如果元件内部产生可辨别的波动和扰动，那么上述简单化的假设就被打破了。（摘自‘声音的重现’）

       初版的工程样，看下图

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很简单，前面板都没做任何支撑，左右两侧板和上下顶底在中间位置各压了一条50mm高的加强筋，后板的导向孔下方压了一条加强筋。最终产品上仅保留了上下顶底的中间加强筋。左右两侧板和后板上加强筋是出于大功率的低频阻抗曲线的精确度和重复性而考虑，如果不这么做，超过4V的激励电压，是极有可能使箱体因受到低频压力波作用而出现膨胀微变形，进而使得测量的调谐频率的误差过大，并不是有意针对箱体面板加强而去设定的，最终强化也没有沿用这样的处理方式。腔内是全填充吸音棉。

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先看初版工程样的导向管的近场测量SPL曲线，（下图）对比一下LEAP5的计算模拟出来的开口响应SPL曲线，频率也低了一些，而且跨度比较大（大概440hz-550hz之间）。大部分小箱子都很容易出现开口泄露的问题，而大箱子一般不容易出现恶性结果或者相对较为好处理。这跟开口的所处的位置，大小形状以及长度有关，是个多角度的交叉问题，目前都没有什么较为可靠的指导性解决方法，大部分时候都是依靠经验或者试错的方式，对称体的箱体结构相对于非对称体不规则形状的箱体设计要好处理一些。开口泄露会引起主频上的响应波动，以及潜在的失真可能。目前最好的解决的办法是依赖有限元流体仿真软件，比如COMSOL等，这也是件较为繁琐吃力的事。数值仿真突破了现有实验条件或测试手段的局限，使工程技术人员能够获得了更全面的可视化数据（声全息），对结果的可靠性也更高。

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虽然没有其它更好指导资料，对于对称式的长方体型的箱体，也不妨碍有些基础条件参考。先来了解一下产生泄露的机理，这和声波动学的基础内容有关。一个正弦信号的完整周期是360°（看图）
    驻波形成的机制，一个周期信号的声波在一个小空间里的的驻波现象，这是对某一刻的定格的情况。其中呈现出两个最大压力点称为；波腹，波腹又分为90°的正压力场和270°负压力场（1和2），而静止不动的点称为；波节（3,4和5）或者零点。在波节/零点上几乎听不到声音。当从波节离开移动时，无论是向哪一边移动，声音都会变大，波节的两边总是对称的互为相反的压力场。当距离是一个波长的情况，这种情况也存在，只不过频率增加了一倍。现在我们设想一下；假如导向管的内部的入口恰好处在某个波腹位置，又因为导向管远短于这个波长，如果入口处于正压力场位置泄露出来，就会和主频产生叠加，反之亦然。相消相干导致主频响应出现不该有的起伏波纹。那么我们都希望导向管的入口处处在波节位置，也就是导向管‘零’输出那就最好，显然，这很难实现，因为频域跨度太大了。而空间内的驻波往往是首个正弦信号的压力场最大，简称一阶共振频率，然后有二阶，三阶…….等。音乐信号是瞬变且连续的，所以在有限的空间里并不会产生连续的多次高低阶次共振，因为在空间里总有其它的频率与之相消相干。那么，基础的条件就来，一个几何空间三维尺寸最容易得到与之对应的一阶共振频率或者前后二三阶次的共振。按照前面设计的箱体尺寸：270*315*480（应该按箱体内尺寸计算），我们可以知道这几何尺寸所对应的最容易产生的一阶共振频率，分别为：1280hz，1097hz和720hz，显然通过计算并没有直接对应上开口泄露的频谱，那么与之对应的2的整倍数的频率了（低阶数）？640hz，548.5hz和360hz，对照着LEAP5模拟出来的开口频点为：578hz，而实测出来的频率为波峰宽度为440hz-550hz，又因为加入了不同的吸音棉，边界声阻抗的改变对频率产生了消弭和转移（看前面的论述）作用，所以出现频率上误差也能理解，但我们已经大致定位到可能与之关联的根源，那么就可以去针对性做一些测试，知道了可能是深度宽度尺寸影响，只要改变腔内的直线尺寸，或者用什么办法改变其波腹的压力场产生位置了？也就是说不让某个正弦波共振产生对称的压力场处在已设置好的导向管入口处即可。好，有了可执行的条件出来，后面就可以通过多次实验性的尝试，在腔内放置不同的且较大块的隔板进行测试，又可连带箱体内部加强用途。可以用便捷厚一点高密度的橡胶板，切割成合适的障板固定在腔体内。这个只能通过不断的实验，累计经验，diy也好量产也好过程大致一样，折腾是少不了。。

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我的处理方式，看下图

得到的结果，看下图：

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     可以看到在低音单元后面设置了斜障碍板，对中频的泄露得到很大的控制，压力场低了近10dB。这是正面有用的工作。中频的泄露会很大程度影响到听感的清晰度。开口泄露的幅值小于等于15dB（相对于喇叭近场测量），基本上对主频响应影响就不大，最小容许差值是：12dB。那么还有没有可能进一步优化了？当然，这个可以发挥动手能力和创造力了，而我这里不再进一步深入处理优化主要还是处商业考虑和加工工序及最终成本效益等，合适就行。（做商品开发有诸多限制，不可能像diy玩家那样，可以天马行空的去按照自己的意愿来玩。）

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腔内压力场的问题，其实很多同行都未曾深入了解，也很难直观理解压力场在腔内的工作方式，可用的手段也不多，网上也少有这方面有实用价值的文章介绍，也没有相关指导性原则，仅能依据几何声学基础来做一些初步的判断，更多的还是依靠经验和试错的方式来进行。目前最佳的手段是依赖新的工业流体仿真软件（有限元流体仿真），比如利用comsol的三维视角来解决。因为是矩形对称式箱体结构，依据经验比较容易解决中频泄露问题，所以就没有使用comsol跑。下面我提供一张动态图，是在售的PA产品，看下图；

     在comsol上跑的动态声全息图，拓展一下视野，是用集总参数带入（T/S参数值），进行模拟运行的。因为受限于上传文件的大小，可能会看的不太清楚。抱歉了。

边缘人1666

我做一小部分的细节截图吧。

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与之对应的‘等值面分布’。运动等级包络面

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PA产品为了不同应用环境，会有各种不规则多面体的设计外观，有时候也需要考虑到腔内的压力场作用到喇叭单元背面上的所产生的一些因素。毕竟PA产品大多数都是为了高声压而设定的，也不局限于‘皇帝位’，对于环境和场景应用比家用系统有着更为严苛极端的要求，对声音品相上难免会有一些妥协。

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箱振
箱振处理的方式很简单。我这边是主要利用高精密的振动加速度传感器（PCB），安装在箱体表面的不同位置上，获取箱振的幅度大小。这部分就没啥好讲的了，花时间而已。对于一般的diy玩家而言，腔内多做一些加强筋是王道，有总比没有好，多总比少的更安心些，没啥可争议的，顶多也就是浪费点材料啥滴。有一点注意的是，设置的时候不要挡住管子的入口就可以了。下面我给出一些数据，仅供参考。特别说明：传感器并没有做声压校准，在测量的时候有做了40dB的增益放大量提升，更便于观察。所以看到测量出来的声压幅度并不是真就那么恐怖的振动量。而利用加速度传感器接入APx分析仪，利用它的R&B分析功能来获取腔内的强驻波共振点是相当高效且精准的方法。有条件的朋友在测量的时候，要切记传感器一定是硬接触方式来测量，并且是在最后一道未上漆表面处理之前为好。最后的上漆后还会进一步降低箱振。
测试工作场景：
老油条了，怎么方便怎么来，不影响结果就可以了。见笑了！！！

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边缘人1666

优化前的测量数据：

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开口响应与箱振频谱响应对比；

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优化后实测比对；

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边缘人1666

哦。。有没有图片流量了。那算了。这篇文就到这吧。。也没啥可补充的了。

sjf003

有的放矢。

香山佬

很感兴趣，信息量大不容易看懂，希望楼主多做些说明总结！

枫Dream

搬起我的小板凳认真听课

siwen907

好文好文，营养贴

mogu1986

应该叫那些宣称测量无用的人看看该系列贴

边缘人1666

         关于箱振的一些闲扯补充：仅一家之言权当善意的茶余饭后聊天

     1，箱振能够引起主观听判上的感知，更多是潜意识的心里暗示。我不觉得板材的极其细微的那种振动推动空气，耳朵就能听到。
     2，绝大部分人是没机会感知到高声压下所带来的箱振，除非你真不打算要听力，其次，高声压下更不可能辨识到箱振。即使是我在面对PA产品做高声压下做箱振测试，也是依赖精密传感器来测量。并不会让自己的耳朵直接参与，听力是不可逆的生理机能。那种在密闭环境里高达120dBA的噪声声压级甚至更高，是足以在短时间内摧毁一个人的生理极限。没人这么傻滴！就以夜店娱乐场所里的那种听起来总觉很‘响’的声压，其平均等效噪声声压级也就115dB内。而绝大部分时间均在105dBA--110dBA之间游走，甚至更低。不要抬杠；看清楚是平均噪声声压等级。
    3，所谓听到的‘箱音’，很大一部分原因还是归为系统低频设计上的不恰当引起的。比如设计过高的Q值（看连载2之设计篇）设计带来的欠阻尼引发的‘轰鸣’音。
    4，有小部分的音箱，当功率越过某个量级就会突然呈现出不该有的‘鸣’音（还在正常的标称功率范围内,），其很大程度也是设计时候的Q值不恰当，或者系统设计‘不成熟’，这类系统多在diy玩家手里出现。核心的原因还是没有考虑到音箱的有用工作范围--即节目工作区，尤其在选择在1W时候把双峰调谐成等高状态，仅仅是曲线看起来‘漂亮’而没任何使用价值。别忘了，大部分音箱都需要考虑10--20W的正常聆听工作范围。要了解的还是请看‘连载2之设计篇’里重点论述阻抗曲线。没有任何文献有说明‘双峰等高’的系统是最佳，仅仅是作为指导原则和理想化的数学模型教程。
    5，箱振确实会让互调失真和谐波失真的增加，但并不是那么显见的，更多的失真处理重心应该放在更重要的地方。
    6，箱振并不都是坏事，有时候也可以加以利用。比如做乐器箱，或者小尺寸的箱子。
    7，不应该把箱振的问题作为diy音箱的敏感工作来处理，只要做了你觉得要做加强的工作就够了，你应该多花费时间在其它更有意义的地方上。
   

边缘人1666

解决腔内驻波共振泄露没有秘诀，大部分还是依靠经验值和试错的方式不断的去尝试。尤其当确定了导向管的设计后，更是如此。。

边缘人1666

开发产品也好，diy也罢，声音是多物理场学科，好声音先从‘讲理’开始，而后才好‘谈情’，不要本末倒置。虽说diy是自我陶冶情操，无关好坏，但也是认识声音的一个过程，更是对自己的一种能力提升。理性一些总会有更好的结果让自己惊喜和满足！对自己真诚一点不香吗？

ct590

不错，很好的帖子，谢谢lz分享！

flscs1

边缘人1666 发表于 2022-1-10 23:14
解决腔内驻波共振泄露没有秘诀，大部分还是依靠经验值和试错的方式不断的去尝试。尤其当确定了导向管的设计 ...

能否分享下加速计的具体型号，谢谢！！！

kkklll

楼主是高手，紧跟楼主学习