Explication des caissons de basses à suspension acoustique
Enceinte, boîte ou armoire :peu importe comment vous les appelez, l'endroit où vous installez votre haut-parleur ou votre subwoofer est d'une importance cruciale pour leur performances qui en résultent. Dans cet article, nous nous concentrons sur les enceintes les plus simples et les plus indulgentes à concevoir et à construire :la suspension acoustique ou enceinte étanche.
Les lois de la physique
Il y a quelques caractéristiques à garder à l'esprit pour chaque enceinte. La première est que lorsque la fréquence diminue, l'excursion du cône augmente. En fait, pour produire la même sortie acoustique, un haut-parleur doit se déplacer quatre fois plus loin pour chaque moitié de fréquence. Par exemple, si votre subwoofer se déplaçait de 1 mm à 80 Hz, il devrait se déplacer de 4 mm pour produire la même sortie à 40 Hz. Pour produire la même sortie à 20 Hz, il devrait se déplacer de 16 mm.
Un haut-parleur comprend un élément appelé araignée. L'araignée stocke de l'énergie lorsque la bobine acoustique d'un haut-parleur déplace le cône vers l'avant ou vers l'arrière depuis sa position de repos. Lorsque le cône atteint la fin de sa course et s'arrête, l'énergie potentielle stockée dans l'araignée veut être libérée. Cette énergie stockée tire le cône dans la direction opposée. Chaque transfert d'énergie comprend des pertes, et finalement, le cône s'immobilise.
Pensez au mouvement du cône comme une balançoire au parc. Vous exercez une force sur la balançoire pour la faire démarrer, et elle continue de se balancer d'avant en arrière avec une amplitude décroissante jusqu'à ce qu'elle s'arrête. Heureusement, un haut-parleur arrête de bouger beaucoup plus vite que la balançoire au parc.
Dans un haut-parleur, ce transfert d'énergie du cône à l'araignée et inversement est le plus efficace à une fréquence spécifique. Nous appelons cela la fréquence de résonance du haut-parleur. À la fréquence de résonance, il y a une augmentation spectaculaire de l'impédance car l'araignée emmagasine beaucoup d'énergie. Ce stockage d'énergie amène le cône à vouloir continuer à se déplacer. Le mouvement de la bobine acoustique se déplaçant à travers le champ magnétique génère une tension. Cette tension génère un flux de courant dans le sens opposé au courant provenant de l'ampli. Nous représentons cette opposition au passage du courant comme une augmentation de l'impédance.
Nous devons également considérer que chaque haut-parleur est limité dans la distance à laquelle le cône peut se déplacer. Une fois que nous dépassons les limites d'excursion du haut-parleur, de mauvaises choses se produisent. Le formeur de bobine mobile peut heurter la plaque arrière. Les composants de la suspension peuvent être compromis et commencer à tomber en panne. En tant que sous-produit du cône, du capuchon anti-poussière, de l'entourage, de l'araignée et de la géométrie du moteur, la distorsion harmonique augmente également à mesure que l'excursion augmente.
Notre objectif dans la conception de tout système audio devrait être de maintenir la distorsion aussi faible que possible. La majeure partie de la distorsion aux basses fréquences est de la résonance. Ces résonances diminuent lorsque nous nous déplaçons au-dessus de la fréquence de résonance du haut-parleur. L'araignée et la force motrice changeante, lorsque la bobine se déplace au-delà du bord de l'espace, sont les principaux contributeurs à la distorsion.
Pourquoi avons-nous besoin d'un boîtier ?
Considérons quelques caractéristiques supplémentaires. L'atténuation des basses fréquences d'un haut-parleur est un filtre passe-haut. L'araignée dans le haut-parleur est comme un condensateur - un ressort stocke de l'énergie, tout comme un condensateur. L'air à l'intérieur de la boîte est également un ressort, et il est parallèle à l'araignée. Le ressort pneumatique et l'araignée travaillent ensemble en même temps pour faire la même chose. La combinaison du ressort pneumatique et de l'araignée augmente la fréquence du filtre passe-haut. Oui :contrairement à nos efforts pour produire autant d'informations à basse fréquence que possible, une enceinte limite la reproduction à basse fréquence.
Si tel est le cas, pourquoi voulons-nous limiter le mouvement du cône ? Considérez ce que nous avons dit sur la quantité d'excursion nécessaire pour reproduire les basses fréquences et sur la distorsion. Limiter la sortie des basses fréquences de notre haut-parleur n'est pas un objectif idéal, mais limiter certaines des très basses fréquences pour obtenir la bonne quantité de basses à des fréquences plus élevées en vaut la peine.
Il y a un avantage à augmenter la fréquence de résonance du système de haut-parleur et d'enceinte. Disons que nous avons un subwoofer avec un Q de 0,5 et que notre objectif est d'avoir un Q total du système de 0,707. Nous choisissons un volume d'air d'enceinte qui augmente le Q, ce qui augmente ensuite la sortie du système à la nouvelle fréquence de résonance. Oui, nous sacrifions la sortie aux basses fréquences, mais nous gagnons en sortie autour de la nouvelle fréquence de résonance du système.
Je veux plus de basses !
Les conceptions d'enceintes modernes continuent de réduire la distorsion grâce à la simulation informatique et à la modélisation du comportement des matériaux. Des concepteurs de haut-parleurs qualifiés et correctement équipés peuvent simuler le comportement de l'araignée, du cône et du surround pour analyser les comportements individuels de résonance et de distorsion. Ils peuvent également modéliser l'interaction entre la bobine acoustique et la structure du moteur pour prédire les changements d'intensité et d'inductance du champ magnétique qui peuvent affecter davantage le son d'un haut-parleur à des niveaux d'excursion modérés à élevés.
Ces avancées ont abouti à des haut-parleurs qui produisent moins de distorsion à des niveaux d'excursion plus élevés. Cette amélioration des performances permet aux concepteurs d'enceintes de créer des systèmes de haut-parleurs qui joueront plus bas et plus fort.
Quelques principes de base régissent la reproduction sonore à basse fréquence. La zone du cône est critique. Un vieil article publié par l'Audio Engineering Society intitulé "The Problem with Low-Frequency Reproduction", par Saul J. White, comprenait un graphique qui comparait l'excursion du cône par rapport à la fréquence par rapport à la sortie du système pour un haut-parleur de 12 et 15 pouces. Dans le graphique, cela montre qu'un cône de haut-parleur de 15 pouces n'a qu'à se déplacer deux fois moins qu'un haut-parleur de 12 pouces pour produire la même sortie.
Pour produire du son, nous devons déplacer de l'air. Le déplacement est calculé par le produit de la surface du cône du haut-parleur par la distance que le cône peut parcourir. En d'autres termes, l'alésage fois la course. Pour la même cylindrée, plus d'alésage nécessite moins de course.
Quelle est la ligne de frappe ? Si vous le voulez plus fort, achetez plus de haut-parleurs ou de subwoofers.
Comportement du pilote dans un boîtier
L'augmentation du système Q provoquée par l'ajout de rigidité de l'air dans l'enceinte peut provoquer une distorsion si le Q est augmenté de manière excessive. Cette augmentation de Q va à l'encontre de notre désir d'un système à faible distorsion. Rendre l'enceinte trop petite augmente trop le Q, et nous nous retrouvons avec un système qui produit beaucoup de sortie dans une plage de fréquences étroite. Ces enceintes sous-dimensionnées sont souvent qualifiées de "merveilles à une note".
Qu'est-ce qui cause ce comportement ? La qualité d'une note est le résultat de l'augmentation du stockage et du transfert d'énergie dans le système de résonance. La basse n'arrête pas d'aller et venir, comme notre swing au parc.
Gestion de puissance
Dans une enceinte à suspension acoustique, l'excursion du cône augmente lorsque la fréquence diminue. Cette augmentation d'excursion se poursuit jusqu'à la fréquence à laquelle la force de l'araignée et de la boîte dépasse la force du moteur. À ce stade, le niveau d'excursion est limité et nous ne verrons pas l'augmentation de l'excursion. Le résultat :nous protégeons le haut-parleur des dommages physiques dus à l'excursion du cône au-delà des caractéristiques de conception du haut-parleur.
La prédiction des limites d'excursion du cône par rapport à la fréquence et à la puissance est relativement simple pour une enceinte étanche. Le volume de l'enceinte est inversement proportionnel à la quantité de puissance que le haut-parleur peut gérer lorsqu'il est perçu du point de vue de l'excursion. Une petite enceinte limite beaucoup l'excursion du cône dans les très basses fréquences, mais le système produit peu de graves profonds. Une grande enceinte permet au haut-parleur de se déplacer plus loin et de produire plus de sortie basse fréquence, mais nous ne pouvons pas piloter le haut-parleur avec autant de puissance de peur de l'endommager.
Lorsque nous augmentons le volume de l'enceinte du subwoofer, l'air à l'intérieur a moins d'"effet ressort" sur le mouvement du subwoofer. Ce graphique montre l'augmentation de l'excursion du conducteur à mesure que le volume d'air augmente dans quatre enceintes différentes.
Aperçu de la suspension acoustique
Une enceinte de haut-parleur à suspension acoustique réduit la sortie des basses à un taux de -12 dB par octave en dessous de la fréquence de résonance. Lorsque vous combinez cette atténuation avec le gain de cabine associé à la plupart des véhicules, vous pouvez obtenir une extension basse fréquence excellente et linéaire bien dans la région infrasonique. Les enceintes de suspension acoustique sont faciles à calculer et à construire. Ils sont très indulgents pour les erreurs mineures dans le calcul du volume.
Enfin, il convient de rappeler que les enceintes à suspension acoustique ne sont pas les enceintes à faible distorsion disponibles.
Lorsque vient le temps de concevoir un caisson de basses pour votre voiture ou votre camion, rendez-vous chez votre détaillant d'électronique mobile local et discutez de vos besoins. Ils peuvent vous aider à choisir un caisson de basses et une conception d'enceinte qui vous donneront une base solide sur laquelle construire votre système audio.