試做中高音號角

hsiehwm

前面提過一個式子:

f<(0.5861*c/d)

對一個長直圓管,如果聲波頻率比上述頻率低,
可以用平面波的假設來分析聲波在管內傳導的狀況,
但是,高於上述頻率,聲波並非不傳導,只是變得複雜.

對一個簡單的曲面波,(類似球面波,中央突出)
想像聲波能量除了沿直管方向前進,另外有側向分量,朝向管壁前進,
管壁是封閉的,所以形成側向的諧振狀態,稱作高階模式(higher order mode)

和三維空間的諧振(在低頻稱為駐波)不同,發生側向諧振時,聲波仍可能向前傳導.

從2002年的一篇論文抄錄一些資料:

Theoretical and experimental study of wave propagation in brass musical instruments
作者:Jonathan A Kemp

作者用高階模式的方法,為銅管樂器(以直管取代彎管)建立數字模型
所以詳細介紹了高階模式的現象

(figure2.6_1.jpg figure2.6_2.jpg)

文中提到分析的條件是

kR=sqrt(50)≈7.071

意思是,聲波的波長

λ=2*pi*R/7.071

如果圓管半徑是 1,聲波波長是 0.8885.

對一個直徑二吋的圓管,假設聲波波速 c=345m/sec
聲波頻率 f=c/λ≈15285.88 Hz

圖中,紅色看成正半波,藍色是負半波,色塊正中央是分別波峰和波谷,

當 n=0時,是平面波,圖中,波峰波谷是一條直線,在圓管中是一個圓盤平面,
兩條波峰之間的距離是波長.

當 n=1 和 n=2 時,聲波仍然沿直管方向傳導,但是聲波能量集中在直管中央,
而且"顯示的"波長越來越長.

當 n=3時,聲波沒有傳導現象.

在比較早的文獻中,有因為"顯示的"波長變長,而得出聲波速在管內變快的結論,
這個結論是不恰當的,figure2.6顯示的只是穩態時,管內聲壓分布的情形,
而且整個分析是在聲波速度固定的前提下(和自由空間的聲速一樣)進行的.

fjw3083058

楼主真执着，

ffmfybz

能用纸皮糊个号角，好手艺

hsiehwm

感謝 fjw3083058 ffmfybz 關注

前面提到的論文,關於高階模式(Higher order mode),作者給了 figure 2.5 (紅點是我事後畫上的)

根據理想聲波方程式,圓管中橫向(側向)傳播的聲波,聲壓分布會依循貝索函數(Bessel Function)
然而因為管壁的限制,在管壁上,空氣粒子的速度必須是零,所以只在函數圖的頂點上(畫紅點的位置)
會形成高階模式(側向諧振).

在 table a.1 作者給了 1 到 45 階的位置. 以第一階為例

γ1=3.8317060 意思是,如果圓管的半徑是 R,當振動源(聲波)的波長

λ≦ 2*pi*R/γ1

就有可能出現第一階模式,

假設聲波速度  c=345m/sec 對一個直徑 2 吋 (5.08cm) 的圓管,發生第一階模式的最低頻率

f=c/λ=8283.1912 Hz

所以結論是,如果頻率固定,管徑增加,或者管徑固定,頻率增高,就可能出現更多高階模式

值得一提,對於二音路的中高音號角,2 吋喉,對相位栓和號角都是個比較困難的方案.

hsiehwm

2010年,楊百翰大學(Brigham Young University)的論文

"Acoustical Analysis of a Horn-Loaded Compression Drivers Using Numerical Analysis"
作者 : Daniel Ross Tengelsen

第三章的標題是:

Transient Analysis from Finite-Length Pipes

(fig 3.1.jpg)
圖3.1 長 0.5m(50cm), 半徑 19.05mm(0.75in) 的圓管,一端接在無限大的障板上,另一端當信號(振動源)輸入口,
振動源是單一脈波的 16kHz 弦波, 使用有限差分法 (finite-difference method)  作暫態(時間軸)的數值分析.

(fig 3.4_1.jpg fig 3.4_2.jpg)
圖3.4 的振動源是單一脈波的平面波,顯示的是在 0.0625ms, 1.5ms, 2.2ms 的聲波圖,左邊是圓管部分的放大圖.

在管內,聲波維持平面波前進,在時間 1.5ms時到達管口,換算聲速 c=0.5m/1.5ms=333.33m/s

到達管口後,聲波發生散射和反射,管口外是球面波(至少是近似球面波),聲波從單極性變成兩級性,
(原來只有正向波,變成正負向)

管內反射波含有第一階的高階模式,隨著反射波的前進,部分聲波能量留在管中(側向諧振).

(fig 3.4_1.jpg fig 3.4_2,jpg)
圖3.5 的振動源是第一階的高階模式波,在管內,隨著聲波的前進,部分聲波能量留在管中(側向諧振)

到達管口後,管口外不是單一脈波,而是一連串脈波,初始弱,逐漸變強.

反射波和原來留在管內的聲波能量混合,形成第一階的高階模式現象.

以下是我的一些推論:
1.相位栓是必要的,必須儘量減少輸入聲波高階模式的成份,也就是儘量維持平面波.

2.出口的反射必須降到最低, Jean-Michel Le Cleach 開展法的優點是保有指數號角(或雙曲線號角)喉部的聲阻特性,
同時開口自然形成向外翻轉(可開展到大於360度),在 Kolbrek的 BEM 數值分析中證實Jean-Michel Le Cleach 開展法,
反射波是比較少的.

3.關於號角的形狀,在實際的號角中,聲波側向傳播如果是必然會發生的,(源於驅動器特性,開口反射,或是號角自身開展)
改變號角內的形狀,避免(或破壞)側向諧振產生,同時又可改善號角的指向性.

4.最後,必須說的,圓形和矩形,在聲學上是最容易用數學分析的形狀,也是高階模式最確定的形狀,
從網上的音響展影片很容易辨認,所有採用大型圓形中音號角的喇叭系統,共通的聲音是"巨大","充滿整個空間",
但是和偶極或陣列中音比較,完全沒有焦點的聲音, "空洞","飄浮".當然,對喜歡的人來說,這也算優點.

lbx

好贴，学习中

hsiehwm

會特別摘選前面兩篇論文,因為高階模式(側向諧振)用在號角分析,是比較新的方法,

在使用高階模式的概念之前,多半都只能假設聲波是均勻的平面波或球面波,
例如 Harry F. Olson 寫的書 "ACOUSTOCAL ENGINEERING" 第二章 "ACOUSTICAL RADIATING SYSTEMS"
對號角指向性的分析,可能也只是用球面翍取代前人使用的平面波,用積分算式的方法得到指向性特性,
因為少了高階模式(側向諧振)的概念,他的分析結果,在高頻區無法準確預測指向分裂和劇烈變化的現象.
(fig 2.16.jpg)

其次,現階段的數值分析,因為技術上的困難,還是以穩態分析(頻率軸)為主,暫態分析(時間軸)很少有.

經由穩態分析可以確定的是園形(開口)號角高頻指向窄化和高階模式有關,和直接幅射喇叭不同,
直接幅射喇叭高頻指向窄化是因為聲波相位干擾和振模分割振動.

但是高頻的高階模式在號角內的傳播現象,在穩態分析顯現不出來,
由這篇論文的暫態分析結果,高階模式不只會讓能量集中,影響更大的,因為諧振停留在號角內的能量,
會像迴音器一樣延後釋放.(聲波能量,扣除磨擦的熱損耗,最終要經由號角開口散到空間中)

am8816

谢谢分享！

hsiehwm

才找到的資料,JBL 2016年的技術文件
SR9350-Floating Waveguide Technology-WhitePaper_050616.pdf
相關產品是 JBL 9350 Cinema Surround Loudspeaker
對應的專利號碼 WO2017124068A1
低音看似前置號角,又不是傳統前前置號角,不是要完全模仿,想來改善我的低音短號角.

fjw3083058

楼主一直研究这些，还有空闲听音乐吗。
心中好奇。

我在家DIY时，就一直让音箱工作着。

hsiehwm

fjw3083058 发表于 2018-7-6 00:33
楼主一直研究这些，还有空闲听音乐吗。
心中好奇。

謝謝關注.

先前做了一個兩環的相位栓給一吋的銣磁喇叭接高音號角,一直覺得聲音不對,
後來仿照 Fig 5.1, 類似 Electro Voice ND6 的形狀,重做了一個相位栓,
仍然是兩環( Electro Voice ND6是三環),聲音改善許多,

紅線(HF phase plug_1.jpg)是舊相位栓,藍線(HF phase plug_1.jpg)是新相位栓.
在同一個高音號角上比對.

現在想想,舊的相位栓的聲音就像是迴音(混響)調太重的,混濁遲緩的感覺,
如同前面論文做的暫態分析,壓縮驅動頭的聲音是最乾淨的,
新的相位栓則是介於兩者之間.

hsiehwm

想重做一个中音号角,一样是320Hz,但是喉部直径放大到2吋,
这样号角长度会缩短些,自己心里猜想,号角长了,声音后退多,
像是在远处听音乐,号角缩短些,也许声音会靠近一些.

附图分别是1吋喉部号角和2吋喉部号角的三视图:
<320Hz 1inch mid horn.jpg> <320Hz 2inch mid horn.jpg>

两个中音号角有类似的形状,方便比较号角长度的影响.
两个压缩档分别是两个中音号角曲面上的XYZ点座标文字档(.txt),长度单位mm,
里面只列了1/4的号角曲面,因为其他3/4是对称的.
<320Hz 1inch .zip> <320Hz 2inch xyz.zip>

首先要先准备好2吋的号角驱动头,仍然延用原来的纸盆中音喇叭
panasonic metal eas10p364 <eas10p364.jpg>

为它配上一个2吋开口的相位栓(phase plug)
<phase plug top.jpg> <phase plug bottom.jpg>

三环的构造,相位栓和纸盆距离大约2mm,用厚纸板一层一层贴合而成.
附图 <phase plug.jpg> 是相位栓的剖面图(也是施工图)
右半边是原先1吋开口,左半边是2吋开口,

对这个新做的相位栓有些疑虑,受限于纸盆和防尘盖的形状,
三环的路径长度差别大,开口不一定能形成好的平面波,
中音喇叭纸盆有效直径大约只有3吋,对2吋开口,压缩比小,
除了号角增益下降,频率响应也会被影响.
至于影响有多大,等号角完成后才知道.

liunine

hsiehwm 发表于 2019-12-21 15:40
想重做一个中音号角,一样是320Hz,但是喉部直径放大到2吋,
这样号角长度会缩短些,自己心里猜想,号角长了, ...

这个是高手

hsiehwm

liunine 发表于 2019-12-22 19:38
这个是高手

谢谢鼓励

1000Hz 1 inch 高音号角三视图和 1/4 号角面点座标文字档
<1000Hz 1inch.jpg> <1000Hz 1inch xyz.zip>

liunine

前一段时间做过一次，感觉是如果用压缩器耳朵有点吃不消，用普通的扬声器中音有所提升，高音部分会有一个慢慢衰减的过程，查了一下有可能是需要相位塞，另外一个原因是在国内想找一个认认真真做的小全频还真的不容易，所以这事就一直耽搁了

abcd

lz研究一下这个，先声明不是给他打广告，只是录音声音比较直观lhttps://market.m.taobao.com/app/ ... 31&forceFlush=1

hsiehwm

帮中音号角的驱动喇叭做了一个密闭的后腔罩,
<back cavity_1.jpg> <back cavity_2.jpg>

两层厚纸板内外黏贴而成,底部(平面)紧贴喇叭磁铁以免振动,
根据 JBL 说法,纸盆中音喇叭驱动中音号角,后腔容积不需要太大,
尤其不要加吸音材料,只是我的后腔罩只对着喇叭的形状做的,
没仔细想后腔容积.

之前用的临时后腔罩,无法完全密闭,中音声音模糊些,
现在中音改善了,反而显得我的临时中低音号问题更明显.

hsiehwm

liunine 发表于 2019-12-23 13:06
前一段时间做过一次，感觉是如果用压缩器耳朵有点吃不消，用普通的扬声器中音有所提升，高音部分会有一个慢 ...

感谢关注,
较早我也是用现成的高音压缩驱动头接高音号角,
<compress driver.jpg>

但似乎不是每个驱动头都合适,图左边的驱动头比较贵(看起来也比较高级),
但是接我的高音号角反而没办法听,又不想拆开来比较,至今不懂原因.
偶然发现铷磁小喇叭堪用,就没换回来.

hsiehwm

abcd 发表于 2019-12-23 14:41
lz研究一下这个，先声明不是给他打广告，只是录音声音比较直观lhttps://market.m.taobao.com/app/idleFish- ...

感谢提供的资料,图片看来很有趣,可惜我这里没法播声音档.

他是有专利的发明,想必声音有过人之处,
我只是业余喜好,做点东西让自己满足而已,
如果您有什么见解,说说无妨

liunine

hsiehwm 发表于 2020-1-9 09:38
感谢关注,
较早我也是用现成的高音压缩驱动头接高音号角,

是的，国外有很多烧友就用小喇叭或者用球顶