Gabinete, caixa ou gabinete:como você quiser chamá-los, onde você instala seu alto-falante ou subwoofer é extremamente importante para a desempenho resultante. Neste artigo, nos concentramos no mais simples e tolerante dos gabinetes para projetar e construir – a suspensão acústica ou o gabinete selado.
As Leis da Física
Existem algumas características a serem lembradas sobre cada alto-falante. A primeira é que à medida que a frequência diminui, a excursão do cone aumenta. Na verdade, para produzir a mesma saída acústica, um alto-falante deve se mover quatro vezes mais para cada metade da frequência. Por exemplo, se o seu subwoofer estivesse se movendo 1 mm a 80 Hz, ele teria que se mover 4 mm para produzir a mesma saída a 40 Hz. Para produzir a mesma saída em 20 Hz, teria que se mover 16 mm.
Um alto-falante inclui um elemento chamado aranha. A aranha armazena energia quando a bobina de voz de um alto-falante move o cone para frente ou para trás de sua posição de repouso. Quando o cone chega ao fim de seu percurso e para, a energia potencial armazenada na aranha quer ser liberada. Essa energia armazenada puxa o cone na direção oposta. Cada transferência de energia inclui algumas perdas e, eventualmente, o cone pára.
Pense no movimento do cone como um balanço no parque. Você exerce uma força no balanço para iniciá-lo, e ele continua a balançar para frente e para trás com uma amplitude decrescente até parar. Felizmente, um alto-falante para de se mover muito mais rápido do que o balanço no parque.
Em um alto-falante, essa transferência de energia do cone para a aranha e vice-versa é mais eficiente em uma frequência específica. Chamamos isso de frequência de ressonância do falante. Na frequência ressonante, há um aumento dramático na impedância porque a aranha armazena uma grande quantidade de energia. Esse armazenamento de energia faz com que o cone queira continuar se movendo. O movimento da bobina de voz movendo-se através do campo magnético gera uma tensão. Esta tensão gera um fluxo de corrente na direção oposta à corrente que flui do amplificador. Representamos essa oposição ao fluxo de corrente como um aumento na impedância.
Também temos que considerar que cada alto-falante é limitado em até onde o cone pode se mover. Uma vez que excedemos as limitações de excursão do falante, coisas ruins acontecem. O formador da bobina de voz pode atingir a placa traseira. Os componentes da suspensão podem ficar comprometidos e começar a falhar. Como um subproduto do cone, capa de poeira, surround, aranha e geometria do motor, a distorção harmônica também aumenta à medida que a excursão aumenta.
Nosso objetivo ao projetar qualquer sistema de áudio deve ser manter a distorção o mais baixa possível. A maior parte da distorção em baixas frequências é ressonância. Essas ressonâncias diminuem à medida que nos movemos acima da frequência de ressonância do alto-falante. A aranha e a mudança da força do motor, à medida que a bobina se move além da borda da folga, são os maiores contribuintes para a distorção.
Por que precisamos de um gabinete?
Vamos considerar algumas características adicionais. O roll-off de baixa frequência de um alto-falante é um filtro passa-alta. A aranha no alto-falante é como um capacitor - uma mola armazena energia e um capacitor também. O ar dentro da caixa também é uma mola e está em paralelo com a aranha. A mola pneumática e a aranha trabalham juntas ao mesmo tempo para fazer a mesma coisa. A combinação da mola pneumática e da aranha aumenta a frequência do filtro passa-altas. Sim:Ao contrário de nossos esforços para produzir o máximo possível de informações de baixa frequência, um gabinete limita a reprodução de baixa frequência.
Se for esse o caso, por que queremos limitar o movimento do cone? Considere o que dissemos sobre quanta excursão é necessária para reproduzir baixas frequências e sobre distorção. Limitar a saída de baixa frequência do nosso alto-falante não é um objetivo ideal, mas vale a pena limitar algumas das frequências realmente baixas para obter a quantidade certa de graves em frequências mais altas.
Há um benefício em aumentar a frequência de ressonância do sistema de alto-falante e gabinete. Digamos que temos um subwoofer com Q de 0,5 e nosso objetivo é ter um Q total do sistema de 0,707. We choose an enclosure air volume that increases the Q, which then increases the system output at the new resonant frequency. Yes, we sacrifice output at lower frequencies, but we gain output around the new system resonant frequency.
I Want More Bass!
Modern speaker designs continue to reduce distortion through computer simulation and modeling of material behavior. Qualified and properly equipped speaker designers can simulate spider, cone and surround behavior to analyze individual resonance and distortion behaviors. They also can model the interaction between the voice coil and the motor structure to predict changes in magnetic field strength and inductance that can further affect how a speaker will sound at moderate to high excursion levels.
These advancements have resulted in speakers that produce less distortion at higher excursion levels. This improvement in performance allows enclosure designers to build speaker systems that will play lower and louder.
Some basic principles govern low-frequency sound reproduction. Cone area is critical. An old article published by the Audio Engineering Society called “The Problem with Low-Frequency Reproduction,” by Saul J. White, included a graph that compared cone excursion vs. frequency vs. system output for a 12- and 15-inch loudspeaker. In the chart, it shows that a 15-inch driver cone only has to move half as much as a 12-inch driver to produce the same output.
To produce sound, we need to displace air. Displacement is calculated by the product of speaker cone area times the distance the cone can travel. In other words, bore times stroke. For the same displacement, more bore requires less stroke.
What is the punch line? If you want it louder, buy more speakers or subwoofers.
Driver Behavior in an Enclosure
The increase in the system Q caused by the addition of air stiffness in the enclosure can cause distortion if the Q is increased excessively. This increase in Q works against our desire for a low-distortion system. Making the enclosure too small increases the Q too much, and we wind up with a system that produces a great deal of output in a narrow frequency range. These undersized enclosures are often referred to as a “one-note-wonders.”
What causes this behavior? The one-note quality is a result of the increased energy storage and transference in the resonant system. The bass just keeps going and going – like our swing at the park.
Power Handling
In an acoustic suspension enclosure, cone excursion increases as frequency decreases. This increase in excursion continues down to the frequency at which the force of the spider and the box exceeds the force of the motor. At that point, the excursion level is limited, and we will not see the increase in excursion . The result:We protect the speaker from physical damage due to cone excursion beyond the design characteristics of the speaker.
Predicting the limits of cone excursion relative to frequency and power is relatively simple for a sealed enclosure. The volume of the enclosure is inversely proportional to the amount of power the speaker can handle when perceived from the standpoint of excursion. A small enclosure limits cone excursion a great deal at very low frequencies, but the system does not produce a lot of deep bass. A large enclosure allows the speaker to move further and produce more low-frequency output, but we cannot drive the speaker with as much power for fear of damaging it.
As we increase the volume of the subwoofer enclosure, the air inside has less “spring effect” on the subwoofer’s motion. This graph shows the increase in driver excursion as air volume increases in four different enclosures.
Acoustic Suspension Overview
An acoustic suspension speaker enclosure reduces bass output at a rate of -12 dB per octave below the resonant frequency. When you combine this roll-off with the cabin gain associated with most vehicles, you can get excellent and linear low-frequency extension well into the infrasonic region. Acoustic suspension enclosures are easy to calculate and to construct. They are very forgiving of minor errors in volume calculation.
Finally, it is worth remembering that acoustic suspension enclosures are not the lowest-distortion enclosure designs available.
When it comes time to design a subwoofer enclosure for your car or truck, visit your local mobile electronics retailer and discuss your requirements. They can help you choose a subwoofer and enclosure design that will give you a solid foundation on which to build your audio system.
