障板与后开口箱声短路效应的数值分析

hya1951

看了Lakerblue斑竹介绍的Orion三路电子分频偶极扬声器系统,据说是声音非常有特色,非常通透,很多朋友对于障板与后开口箱产生了兴趣,但是动手实践的并不多,为什么?因为障板与后开口箱存在明显的声短路,经验与常识告诉我们这样的结构对低频重放是极为不利的,大家对于障板与后开口箱能否发出足够实用的低频心存疑虑,这是很可以理解的.
有必要对障板与后开口箱声短路造成的低频跌落进行数值分析,看看是否在合理范围,有没有可能用简单的EQ电路进行补偿,这个分析可能早有人做过了,不过没有在论坛上看到有现成的答案.现在把自己的分析结果与大家交流,希望能起到抛砖引玉的作用.
考虑声短路效应,首先要确定声短路的路径,譬如障板,有2种定义.
第1种是从喇叭背后绕障板边缘到达喇叭正面的路径长度,这个长度是喇叭到障板边缘尺寸的2倍.
第2种是喇叭正面到听音位置距离与喇叭反面到听音位置距离的距离差值,这个距离差值差不多等于喇叭到障板边缘尺寸.
2种定义,结果差1倍,个人认为第2种比较合理,因为我们考虑的是声短路在实际听音位置造成的后果,第1种分析只是在耳朵贴着喇叭时的效果.
而对于后开口箱,2者差异不大,差不多是箱体深度的2倍.以后的分析可以看出后开口箱在同等低频效果时,在尺寸上比障板有巨大优势,这个也是Orion在低频时采用开口箱的主要原因.
接着就可以分析喇叭正面声波与喇叭反面声波在听音位置的叠加作用了,首先假定喇叭正面与反面声波的强度相同(在低频区确实如此).
最终的叠加效果应该是2组声波的矢量和,2组声波同向的(角度差=0)为代数和,结果声压为2倍,+6db,2组声波反向的(角度差=180度)为代数和,结果声压为0.
考虑一个特定的角度差=120度,此时2组声波的矢量和的大小(绝对值),与喇叭正面或反面声波的绝对值相等(0db),姑且将角度差=120度是的声波频率定义为转折频率,高于这个频率,合成结果db数大于0,低于这个频率,合成结果db数小于0.
那么这个转折频率如何得到?非常简单,喇叭背面的声波与正面声波的原始相位差是180度,如果由于声波传输的距离差造成的相位差是60度,那么总的相位差=180+60+240度,240度相位差实际上就是120度相位差.
那么事情就非常简单了,60度相位差相当与1/6周期,也就是先前说的 声短路的路径长度=1/6波长,声音速度是430m/s,譬如有个障板为1m见方,喇叭安装在正中,声短路的路径长度=0.5m,这个0.5m的6倍就是的转折频率声波波长,0.5X6=3m,转折频率为340/3=113.33Hz.声短路路径长度的6倍为转折频率的波长
数值分析的另一个极其重要的结果是在转折频率以下的低频下降速率,也就是每倍频程下降多少db,
结论也是非常简单明了的,先考虑1/2转折频率时的衰减,1/2转折频率时声波传输的距离差造成的相位差是30度,那么总的相位差=180+30=210度,也就是360-210=150度,计算的结果是150度相位差的矢量和正好=0.5,也就是-6db.
再考虑1/4转折频率时的衰减,1/4转折频率时声波传输的距离差造成的相位差是15度,那么总的相位差=180+15=195度,也就是360-195=165度,计算的结果是165度相位差的矢量和差不多=0.25,也就是-12db.
奇特吗?这个结果是否巧合?再算1/8转折频率时的衰减,1/8转折频率时声波传输的距离差造成的相位差是7.5度,那么总的相位差=180+7.5=187.5度,也就是360-187.5=172.5度,计算的结果是172.5度相位差的矢量和=0.13,也就是-17.66db.
结论可以有了:转折频率以下的低频下降速率,每倍频程下降6db[/size]

hya1951

以上的结论个人认为是合理的.
有2个感想.
1.声短路造成的低频跌落,并不是想象中的那样严重,实际上是非常平缓的,每倍频程下降6db,最简单的1阶EQ就可以补偿.
2.后开口箱在同等低频效果时,在尺寸上比障板有巨大优势,譬如声短路的路径为1m,对应的转折频率的波长为6m,即56.67Hz,在28.33Hz时下降6db,即使不加EQ,这个结果也能让不特别追求低频的朋友接受,声短路的路径为1m,用障板就要2mX2m的巨大面积,而后开口箱只要箱体深度为0.5m即可,如果箱内加上强吸音材料,深度还可以减少,实现还是比较容易的,当然后开口箱的原理与实际效果与障板是不完全一样的

okra

很好的推算。

更具体可以参考这个：
http://www.linkwitzlab.com/models.htm(L版译这个不是更有意义嘛？ )

hya1951

谢谢OKRA超斑的加分鼓励,欢迎大家加入讨论.
障板与后开口箱由于有声短路效应,低频区的电声效率偏低,因此最好用大口径,长冲程的单元,譬如Orion用了2个皮亚力士的10寸炮喇叭,本坛斑竹有用15寸的实例.
不妨用本人有的D10G单元做闭箱与后开口箱的效果做个比较.
1.单D10G单元做闭箱,110L,Fb约40Hz,在下限25Hz的最大不失真声压为101db(2个声道)
2.双D10G单元做后开口箱,深45cm,强吸音,Fb=F0=26Hz,体积与单D10G单元闭箱相仿,为了降低偶次失真,安装方式与Orion相同,一正一反.在下限25Hz的最大不失真声压为101db(2个声道),对于低音狂这个声压还是大大不够啊 .
后开口箱方式用单元加倍,驱动功率加倍的代价,得到与普通闭箱在低频下限相同的声压,似乎是得不偿失的,但是同时带来的好处有:
1.低频区的失真降低,理由是:
a.一正一反的单元安装方式,抵消了偶次失真.
b.本人实验发现,喇叭在Fb以下频率工作时,失真大幅度增加,后开口箱的Fb大大低于闭箱.
c.在50Hz以上的常用低频区,双单元后开口箱的喇叭振幅,远比1个单元的闭箱喇叭的振幅小,可大大提高动态范围,降低失真.
2.后开口箱的群延时特性大大好于闭箱,更是远远好于倒相箱.
3.脉冲响应特性大大好于闭箱,更是远远好于倒相箱.
4.据说障板在普通房间的驻波很小,后开口箱是否也是如此?原理本人还不清楚

玫瑰湖之梦

据说障板在普通房间的驻波很小,后开口箱是否也是如此?原理本人还不清楚，这个差不多。这种箱子，你上面列的应该是轴向响应，由于声短路，偏离轴向下降的厉害，也就是这个箱子的低频指向很尖锐，想想，这个箱子出来的声音角度非常狭窄，到侧墙上已经所剩无几了，驻波自然很小

uvd

好帖呀，好帖！

lakerblue

很好的推算。

更具体可以参考这个：
(L版译这个不是更有意义嘛？ )
okra 发表于 2011-6-6 23:08

    数学不好，看不懂

感谢H大的分析好贴！

mzsrz

值得学习和讨论的内容

hya1951

据说障板在普通房间的驻波很小,后开口箱是否也是如此?原理本人还不清楚，这个差不多。这种箱子，你上面列的 ...
玫瑰湖之梦 发表于 2011-6-7 00:03

由于声短路，偏离轴向下降的厉害
这个不是很同意,那个Orion系统,说是可以在内倾60度时,仍有很好的效果.
障板在普通房间的驻波很小是听J斑说的,已经发短消息请教于他,等他稍空,会解释的
个人认为这是障板最重要的优点,在目前房价下,大城市的烧友有理想听音空间的少之又少,即使箱子的低音再好,细节再多,驻波严重的话,什么也听不到,即使没有其他好处,即使低音的量稍小,仅凭普通房间驻波少这一优点,障板或后开口箱就是非常非常值得采用的.

kingcole

应先考虑障板本身的跌落效应，再考虑声短路效应吧，两者叠加的？
就我自己的实践，低频的实际听感肯定不止-6db倍程跌落的啊

hya1951

应先考虑障板本身的跌落效应，再考虑声短路效应吧，两者叠加的
密封箱没有声短路，但障板BS本身就有近似-6 ...
kingcole 发表于 2011-6-7 10:05

是的,实际的EQ应该是补偿喇叭本身在无穷大障板的跌落效应，再考虑声有限大障板的短路效应.
喇叭本身在无穷大障板的跌落效与喇叭的QTS密切关联,这个跌落幅度如何确定?本人是在LSPCAD中输入喇叭参数,然后设定一个容积无穷大的闭箱,得到在无穷大障板时的SPL曲线,以D10G为例,SPL在25-60Hz区间近似-6db倍程,加上声短路效应的-6db倍程,应该是-12db倍程.
EQ如果是6db倍程的,只能补偿到与闭箱近似的效果,要获得平坦SPL,则应是12db倍程,但是这样的话,在超低频区喇叭的振幅会很大,容易越出喇叭的线性冲程,是否合适还要根据实际情况

pcello

用开口箱做低音只能用有源分频，如果用无源分频会对阻尼产生较大影响，产生欠阻尼的几率几乎为100%。

kingcole

建议你也实践一下，实测更有说服力

hya1951

用开口箱做低音只能用有源分频，如果用无源分频会对阻尼产生较大影响，产生欠阻尼的几率几乎为100%。
pcello 发表于 2011-6-7 11:22

要加EQ补偿,有源分频是肯定的,阻尼如果还不够,甚至可以考虑负阻驱动,Orion的低音是炮喇叭.QTS极低的,记得是0.2以下,所以不会欠阻尼

hya1951

建议你也实践一下，实测更有说服力
kingcole 发表于 2011-6-7 11:27

障板太大了,考虑实践后开口箱.
声短路路径长度至少得1m,这样在低频下限25-30Hz补偿量不超过12db,这个已经是极限补偿量.
后开口箱的尺寸还在可接受范围内.障板就太大了

kingcole

回复 15# hya1951


    呵呵，那样就有点想当然了

玫瑰湖之梦

可以研究一下尊宝R909是怎么做的，它那个就是基本上没有板了，还是无源的

av6688

老规矩。顶了再看

太阳1950

1950向1951学习！

hya1951

静等J斑出现,解释障板与驻波的关系