DİREKT - RADYOTÖRLÜ HOPARLÖR SİSTEMLERİNDE VERİM

DİREKT RADY ATÖRLÜ HOPARLÖR SİSTEMLERİNDE VERİM (*)

Çeviren : Yük. Müh. Eren BAŞARAN

[Direkt radyatörlü hoparlör sistemi; huni veya daha baş ka akustik empedans dönüştürücü araç kullanmaksızın, akustik enerjiyi doğrudan doğruya havaya yayan hopar lör sistemidir. Hoparlör sürücüsü; bir transdüser mekanizması olup elek triksel enerjiyi mekanik enerjiye ve/veya akustik enerjiye dönüştürmektedir. En çok bilinen hoparlör sürücüsü, de vingen bobinli (elektrodinamik) sürücü olup, daimi mık natıslı hava aralığı içine yerleştirilen ve asılı diyaframa

tutturulmuş bir ses bobininden oluşmuştur. Hoparlör Kutusu (veya Hoparlör Kabini) ses yaymak üzere sürücü nün yerleştirildiği kutuya denir. "Direkt Radyatörlü Ho parlör Sistemi" deyişi ile genellikle elektrodinamik ho parlör kullanan

a) Kapalı Hoparlör Kabini b) Oluklu Hoparlör Kabini c) Pasif Radyatörlü Hoparlör dır.].***)

Kabin,

anlaşılmakta

Direkt radyatörlü hoparlör sistemlerinde alçak frekans lardaki güç dönüştürme verimi (= hoparlör kabinleri çı kışındaki akustik gücün, hoparlör ses bobinine uygula nan elektriksel güce oranı), doğrudan doğruya sistemin (kapalı ve oluklu hoparlör kabininin) frekans yanıtsama sının (responsunun) 3dB düştüğü kesim frekansına, kabin tipine (kapalı veya oluklu kabin olmasına) ve kabin hac mine bağlıdır. Yazıda verilen grafikler oluklu ve kapalı kabinlerde verimin; kabin hacmi ve sistemin kesim fre kansı arasındaki bağıntıyı göstermektedir. Neticede, oluk lu kabinlerin belirgin bir performans üstünlüğü taşıdığı belirmiştir.

Hoparlör sistemleri tasarımı genellikle üç önemli teknik öğeye (spesifikasyona) dayanmaktadır. Bu üç önemli öge (spesifikasyon); 'Kabinin hacmi, kabinin güç dönüştür me verimi ve kabinin frekans yanıtsaması (responsu)" ol maktadır. Mühendisler epeyce zamandan beri bu spesifi kasyonlar arasında karşılıklı bir ilişkinin varolduğunun farkında idiler.

Thiele (i) makalesinde, bir direkt radyatörlü hoparlör sis teminin temel veriminin, hoparlör sürücüsünün (örneğin, kullanılan elektrodinamik hoparlörün) üç temel paramet resinden hesaplanabileceğini ve ayrıca bu parametrelerin belirlenen bir hacimdeki oluklu hoparlör kabinindeki sü rücünün (örneğin, elektrodinamik hoparlörün) alçak fre kans yanıtsamasını belirlediğini göstermiştir. Ayni ana litik yöntemler kullanılarak, kapalı hoparlör kabinindeki sürücünün alçak frekans yanıtsaması (responsu) ile temel elektrodinamik hoparlör parametreleri arasında bir ba ğıntı elde edilebilir.

Bulunan bu verim ve frekans yanıtsaması bağıntıları, ka palı ve oluklu kabinlerde hacim, frekans yanıtsaması ve güç dönüştürme veriminin bağımsız olmadıklarını doğ rulamaktadır. Eğer, iki parametre verilmişse, üçüncü pa rametre tayin edilebilir ve hesaplanabilir. Elde edilen bu bağıntılar, sistemin küçü vsinyal performansının; sürücü nün çapına bağımlı olmadığını ortaya çıkarmaktadır. Sü rücü boyunun seçimi; maliyet veya distorsiyon veya akus tik güç çıkışı gibi büyük sinyal performansına dayanmak tadır.

(*) Bu yazı Proc. I.R.E.E. (Australia), Vol. 31, pp. 359 360 (Oct. 1970) sayısından; ilk iki paragraf, çeviren tarafından eklenerek, çevrilmiştir. Aynca "J.A.E.S." dergisinin (Vol. 19, No. 10, November 1971) sayısında da yayınlanmıştır.

(**) Başaran, E. "Ses Frekans Tekniği" M.E.B. İstanbul 1981, No : 48 Temel Ders Kitabı serisi.

Şekil 1'de dördüncü dereceden Butterworth (maksimalli düz) frekans yanıtsaması (responsu) vermek üzere ayar lanmış, oluklu hoparlör kabininin temel verimi; V3 net iç hacim ve f3 sistemin kesim frekansının, fonksiyonu olarak çizilmiştir.

Şekil 1 : Oluklu haporlör sistemi temel veriminin kutu net iç hacmi Vg ve sistemin kesim frekansı f 3 ile değişi mini veren grafik. Şekil 2'de ise, ikinci dereceden Buttervvorth yanıtsaması (responsu) için ayarlanmış, yüksek kompliyans oranına sahip olan, akustik süspansiyonlu kapalı hoparlör kabin lerinde temel verimin değişimi gösterilmiştir. Her iki şe kilde görülen f3 kesim frekansı, kabin frekans yanıtsama sının, geçirme bandı seviyesinin 3 dB altındaki frekans değeridir. Bu kesim frekansı, oluklu kabindeki (elektro dinamik hoparlörün) sürücünün rezonans frekansı ile, ve ya kapalı kabinin rezonans frekansı ile, ayni değerdedir. Grafikler elde edilirken; sürücünün (elektrodinamik ho parlörün) mekanik ve akustik kayıpları gözönüne alınmış tır. Ayrıca, amplifikatörün çıkış direnci; ses bobini doğ ru akım direncinden yeterince —ikmal edilebilecek ka d a r küçük olduğu kabul edilmiştir. Her iki şekilde, temel verim ifadesini veren bağıntı

TJ = k,

Şekil 2 : Akustik süspansiyonlu hoparlör sistemi temel veriminin kutu net iç hacmi Vg ve sistem kesim frekansı f3 ile değişimini veren grafik.

biçimindedir. Bu ifadede rj hoparlör sisteminin (kabinin) temel verimi, ve k^ verim sabitidir. Bu ifadede, k katsa yısının alacağı değer, hoparlör sürücüsündeki (devingen bobinli elektrodinamik hoparlördeki) sönümleme mikta rını saptamaktadır. Bu nedenle k^ katsayısının alacağı değer; sistem tipine, spesifikasyonuna ve yanıtsama biçi mine bağlıdır. Şekil 1 ve Şekil 2'de verilen verim değer leri; sürücü parametreleri ayarlanarak, belirtilen frekans yanıtsama biçimlerine uygulanabilir. Bu eğriler yardımcı filtreli ve sönümleme devreli, sistemlere uygulanamaz.

Şekillerdeki grafik, tipik minyatür kabinlerde elde edile bilecek sınır verim değerlerini göstermektedir. Genellik le, bu değerler % 0.2 0.4 dolayındadır. Görüleceği üzere, oluklu kabinlerin kapalı kabinlere kıyasla bir performans üstünlüğü vardır. Bu üstünlük, oluklu kabinlerde k» katsa yısının daha büyük değerler almasından kaynaklanmakta dır. Dolayısıyle, ayni hacim ve ayni band genişliği için,

dB daha büyük verim elde edilebilir. Ayni hacim

ve ayni verim için,

oktav daha büyük band genişliği

elde edilebilir. Veya ayni band genişliği ve ayni verim için; 2 oranında hacimi azaltmak mümkün oluyor.

Bu yazıda verilen verim grafikleri; hoparlör kabin hacmi, verimi ve alçak frekanslardaki yanıtsama (respons) ara sındaki bağnıtıların nicel (kantitatif) bakımdan anlaşıl masına yardımcı olabilecektir. Bu husus hoparlör kabini tasarımcılarına —özellikle sürücü (yani elektrodinamik hoparlör) parametreleri üzerinde denetimi olanlara— ger çekçi (realistik) hoparlör ve amplifikatör tasarım (dizayn) amaçlarına ulaşmada yardımcı olacaktır.

Hoparlör bandgenişliği, verimi ve kabin hacmi son yıllar da epeyce ilgi çekmiştir. Kapalı kabinlerde nitel (kal ita tif) özellikli oransallık bağıntıları daha önce Jordan (2), ve Kloss (3), tarafından belirtilmiştir.

Kapalı hoparlör kabinlerinde nicel (kantitatif) sınırlar konusunda Finnegan (4) da ayni sonuçlara, yazardan da ha farklı ve ilginç bir biçimde varmıştır. Her nedense, Finnegan'ın vardığı sonuçlar çok az bir dikkati çekmiş tir.

Şekil (1) ve Şekil (2)'deki grafikler çıkarılırken k^ değer lerinin; ne elde edilebilecek maksimum ve ne de garanti li minimum değerler olmadıkları belirtilir. Ayrıca, bu k^ değerlerinin yukarıda sözü geçen "yanıtsama türü" için, 4TT Steradyanlık serbest bölge (free field) radyasyon yükü halinde, uygulanabileceği vurgulanır.

REFERANSLAR :

(1) A.N. Thiele, "Loudspeakers in Vented Boxes," Proc. I.R.E.E. (Australia), vol. 22, p. 487. (Aug. 1961); also J. Audio Eng. Soc, vol. 19, pp. 382 392 (May 1971) and pp. 471 483 (June 1971).

(2) E.J. Jordan, "Loudspeaker Enclosures," Wireless World, vol. 77, p. 2 (Jan. 1971).

(3) H. Kloss. "Loudspeaker Design,"Audio, vol. 55, p. 30 (Mar. 1971).

(4) J.D. Finegan, ' The Inter Relationship of Cabinet Volume, Low Frequency Resonance, and Effıciency for Accustic Suspension Systems," presented May. 5, 1970, at the 38th Convention of the Audio Engineering Society, Los Angeles.

ÇEVİRENİN NOTU :

1961 yılına değin hoparlör kabini imalatı dene dene bul (cut and try; trial and error) yöntemiyle yapılıyordu. A.N. Thiele'nin Modern Sentez Tekniğini (Modern Filtre Teorisini) kullanarak 1961 yılında yayınladığı makale nin (i), bu sahada klasik bir eser olduğunun anlaşılabil mesi ve daha geniş bir okuyucu çevresine sunulması için aradan en az 10 yıl geçmesi gerekti. Ancak, bu arada bi limsel çalışmalar bu konuda yoğunlaştırılmış ve 1971 yı lını izleyen yıllarda Dr. Richard H.Small'un Amerika'nın J.A.E.S. dergisinde yayınlanan, genellikle doktora çalış masının özü olan makaleler; hem hoparlör imalatında, hem de hoparlör kabinleri imalatındaki gizemli perdeyi kaldırmıştır. Bu bilimsel çalışma ve yayınların, özellikle elektrodinamik hoparlör ve kabin imalatında, yeni bir dönem açtığı öne sürülebilir. Açıkçası, yüksek kaliteli hoparlör kabini imalatı bir "meslek sırrı" olmaktan çıka rılıp, BİLİM'e; "Modern Sentez Tekniğine" dayandırıl mıştır. Özellikle Dr. Richard H. Small'un makalelerinde; hoparlör sistemi tasarımcılarının sür'atle ve kolayca ya rarlanabileceği pratik sonuçlar, formüller ve bağıntılar verebilmek amacıyla, gerekli matematik en az düzeyde tutularak yeterince sayısal örnekler verilmiştir.

Hoparlör sistemlerinin alçak frekanslardaki tasarımı için; FORTRAN, CYBER ve BASIC gibi yüksek düzeyde, bil gisayar programları mevcuttur. Ayrıca Hevvlett Packard hesaplayışlarından (calculators) 67, 97 ve 41C için de programlar yayınlanmıştır. (*)

Yüksek Fideliteli Hoparlör Sistemlerinde kullanılan bas hoparlörlerin boyunu küçültmekte teknoloji başarılı ola mamıştır; hatta 30 inçlik bas hoparlör imalatına geçmiş tir. Bu nedenle, zaman aşımından etkilenmiyen bu ilginç sahaya girmek istiyenlere, aşağıdaki kaynakları gözden geçirmeleri önerilir.

KAYNAKLAR:

(1) A.N. THIELE "Loudspeaker in Vented Boxes" Proceedings of the I.R.E. Australia 487 (August 1961), Vol. 22, pp. 487 508; republishedinj. AudioEng.Soc, Vol. 19, pp. 382 392, 471 483 (May and June 1971).

(2) J.E. BENSON, "Theory and Design of Loudspeaker Enclo sures Part I : Electro Acoustical Relations and Generalized Analysis," Amalgamated Wireless (Australasia) Ltd. Tech. Rev. Vol. 14 pp. 1 57 (August 1968)

(3) J.E. BENSON, 'Theory and Design of Loudspeaker Enclo sures, Part 2 : Response Relationships for Infinite Baffle and Closed Box Systems,' 'AAV.A.Tch. Rev., Vol. 14, No.3, May 1971, p. 225 293.

(*) Bakınız : Kaynak No : 22

(4) J.E. BENSON, "Theory and Design of Loudspeaker Enclo sures, Part: 3, Introduction to Synthesis of Vented Systems,'' A.VV.A. Tech. Rev., Vol. 14, No. 4, November 1972, p 369 484.

(5) R.H. SMALL, ' Effıciency of Direct Radiator Loudspeaker Systems," Proc. I.R.E.E., Vol. 31, No. 10, October 1970, p. 359 360; republished in J. Audio Eng. Soc, Vol. 19, No. 10, November 1971, p. 862^ 63.

(6) R.H. SMALL, ' Simplified Loudspeaker Measurements and Low Frequencies," Proc. I.R.E.E., Vol. 32, No. 8, August 1971, p. 299 304;republishedinJ. Audio Eng. Soc, Vol. 20, No. l.January/February 1972, p. 28 33.

(7) R,H, SMALL, "Direct Radiator Loudspeaker System Ana lysis," Trans./EEE, Vol. AU 19, No. 4, December 1971, p. 269 281 republished in J. Audio Eng. Soc., Vol. 20, No. 5, June 1972, p. 383 395.

(8) R.H. SMALL, 'tlosed Box Loudspeaker Systems Part I: Analysis" J. Audio Eng. Soc. Vol. 20, No. 10, December 1972, p. 798 808.

(9) R.H. SMALL, "Closed Box Loudspeaker Systems Part II: Synthesis," J. Audio Eng. Soc. Vol. 21, No. 1 (January/ February 1973) p 11 18.

(10) R.H. SMALL, ' Vented Box Loudspeaker Systems Part I: Small Signal Analysis" J. Audio Eng. Soc., Vol. 21, No. 5 (June 1973) p. 363 372.

(11) R.H. SMALL, "Vented Box Loudspeaker Systems Part II: Large Signal" Analysis, J. Audio Eng. Soc,Vol. 21, No. 6, p. 438 444. CJuly/August 1973)

(12) R,H. SMALL, "Venter Box Loudspeaker Systems Part III: Synthesis" J. Audio Eng. Soc. Vol. 21, No. 7, (September 1973)

(13) R.H. SMALL, "Vented Box Loudspeaker Systems Part IV: Appendices" J. Audio Eng. Soc. (October 1973) Vol. 21, No. 8, p. 635 639.

(14) R.H. SMALL, "Passive Radiator Loudspeaker Systems Part I: Analysis" J, Audio Eng. Soc. (October 1974) Vol. 22, No. 8, p. 592 601.

(15) R.H. SMALL, "Passive Radiator Loudspeaker Systems Part II : Synthesis" J. Audio Eng. Soc. (November 1974), Vol. 22, No. 9 p. 683 689.

(16) R.H. SMALL, "Performance Limitations and Synthesis of Direct Radiator Loudspeaker Systems". Proceedings of the IREE (Australia), Vol. 34, p. 265 268 (August 1973).

(17) R.H. SMALL, "Suitability of Low frequency Drivers for Horn Louded Loudspeaker Systems" presented at the 57th Convention May 10 13, 1977 Los. Angeles, AES, preprint No : 1251 (K 8).

(18) R.H. SMALL, "Direct Radiator Electrodynamic Loudspea ker Systems" Ph. D. Thesis, May 1972 (5th Printing 1978) The University of Sydney. Australia. (Not: Yayınlarda yer almayan; hoparlör ve hoparlör sistemi ölçme sonuçları mev cuttur).

(19) J.D. BUNTON and R.H. SMALL "Cumulative Spectra, Tone Bursts, and Apodization" J.A.E.S. Vol. 30, No. 6, June 1982 (20) R.H. SMALL, "Assessment of Nonlinearity in Loudspeaker Motors1 'IREECON CONVENTİON DIGEST (MELBOURNE) 1979.

(21) R.H. SMALL, "Characterisation of Linear Distortion in Loudspeakers," Conv. Digest (IREECON Int. Convention, Sydney), pp. 67 69 (1979 August).

(22) G. MARGOLIS and R.H. SMALL, "Personal Calculator Programs gor Approximate Vented Box and closed Box Loudspeaker System Design" J.A.E.S. Vol. 29, No. 6, 1981 June, pp. 421 441.