Małe* głośniki biurkowe o wysokiej jakości (druk 3D): 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Dużo czasu spędzam przy biurku. Kiedyś oznaczało to, że spędzałem dużo czasu słuchając mojej muzyki przez okropne, maleńkie głośniki wbudowane w moje monitory komputerowe. Gorszący! Chciałem prawdziwego, wysokiej jakości dźwięku stereo w atrakcyjnej obudowie, która zmieściłaby się pod monitorami na moim małym biurku. Typowe „głośniki komputerowe” są zawsze zawiedzione, więc postanowiłem zastosować pewne podstawowe zasady projektowania i inżynierii głośników, aby zbudować parę bezkompromisowych (w porządku, bardziej jak bezkompromisowych) głośników, które ze względu na swój rozmiar będą zaimponować każdemu audiofilowi.

Przedstawiamy najnowszy dodatek do mojej rodziny HiFi, głośniki biurkowe „Kitten” Nano-HiFi. (Teraz przyjmujemy zgłoszenia dla lepszych nazw)

Głośniki te mają około 4,25 cala (10,8 cm) wysokości, 2,75 cala (7 cm) szerokości i około 4,5 cala (11,4 cm) głębokości, łącznie ze słupkami wiążącymi i zostały zaprojektowane z myślą o doskonałym dźwięku w niewielkiej obudowie. Wykonane są przy użyciu typowej drukarki 3D do wytłaczania, z użyciem filamentu PLA. Wejdźmy w to!

Kieszonkowe dzieci

Części i materiały:

• 4x przetworniki głośnikowe Aura "Cougar" NSW1-205-8A 1"
• 2x krzyżowe cewki 0,2 mH
• Rezystory 2 x 2,4 Ohm „klasa audio”
• „Plastic Wood” lub podobny wypełniacz do drewna
• „Perfect Plastic Putty” lub podobny wypełniacz
• Podkład w sprayu i farba
• Super klej
• Uszczelniacz silikonowy RTV lub podobny
• 4x zaciski przewodowe / słupki wiążące
• Około. 3-4 stopy izolowanego drutu 18-20 ga
• Złącza widełkowe żeńskie
• 4x śruby maszynowe M2x12
• 4x nakrętki M2
• 4x podkładki M2
• Dwa małe kawałki sklejki o grubości 1/8" - 1/4" lub podobnej solidnej deski

Narzędzia:

• Wybrana drukarka 3D i filament
• Lutownica i lut
• Papier ścierny i/lub pilniki do paznokci, różne ziarnistości od 200-1000
• Przydadzą się szczypce do ściągania izolacji/obcinaki do przewodów, nóż xacto i kilka innych podstawowych narzędzi

Krok 1: Cele i ograniczenia

Czy wiem, czy nie, kiedy coś buduję, zaczynam zasadniczo od dwóch rzeczy. Cele i ograniczenia. Więc oto one.

Cele:

• Rozszerzenie basu tak niskie, jak to możliwe. Miejmy nadzieję, że 90 - 100 Hz zanim bas zacznie się wyciszać.
• Dopuszczalna głośność odsłuchu. Istnieje już wiele małych głośników, które świetnie brzmią na wszystkich częstotliwościach; Są to tak zwane słuchawki. Problem w tym, że trzeba je przykleić do głowy. To oczywiście nie jest to, o co mi chodzi, a sprawienie, by były słyszalne na odległość, jest trochę trudniejsze do zrealizowania.
• Płaska charakterystyka częstotliwościowa. Spróbuj wyeliminować duże rezonanse, szczyty i doliny, na które cierpi większość małych głośników.

Ograniczenia:

• Rozmiar. Głośniki muszą mieścić się pod moimi monitorami komputerowymi, więc nie mogą mieć więcej niż 4 cale wysokości i 5 cali głębokości. Ustaliłem, że wewnętrzna objętość około 500 ml to dobry cel. Dodatkowo, ponieważ korzystałem z drukarki 3D na mojej uczelni, ograniczyłem się do około 250 gramów materiału do drukowania.
• Koszt. Nie mam miliona dolarów do wydania na te głośniki, więc żadnych egzotycznych materiałów, narzędzi czy części.
• Złożoność. To w pewnym stopniu pokrywa się z kosztami, ale także z moim poziomem umiejętności i czasem. To prawdopodobnie ogranicza mnie do konstrukcji „pełnopasmowej”, ponieważ jest znacznie prostsze niż konstrukcja 2- lub 3-drożna i nie wymaga drogich elementów zwrotnicy.
• Estetyczny design. Bo muszę patrzeć na te rzeczy cały dzień.

Krok 2: Wybór sterownika

Mając na uwadze cele i ograniczenia, nadszedł czas, aby…. iść na zakupy?

Zgadza się. Ponieważ przetworniki są sercem każdego głośnika, najpierw wybrałem przetwornik i wokół niego zaprojektowałem resztę głośnika. Ponieważ planowałem się nad nimi zastanowić, potrzebowałem nie tylko pasujących przetworników, ale także przyzwoitych specyfikacji i pomiarów dostarczonych przez producenta. Za chwilę przejdę do tego, dlaczego są one ważne, ale bez nich mój projekt głośników staje się w zasadzie kompletnym przypuszczeniem.

Wyciągnąłem więc moją ulubioną stronę, aby kupić komponenty głośnikowe, Parts Express, i szukałem „pełnozakresowych” przetworników w zakresie 1” - 2”. Znalazłem te, AuraSound „Cougar” (stąd nazwa moich głośników pochodzi od „Kitten”. Rozumiesz?), które mają kilka dobrych cech.

• Mały rozmiar. Im mniejszy, tym lepiej.
• Tani. Tylko około 10,50 dolarów za sztukę.
• Doskonała wydajność średnich i wysokich tonów oraz zadziwiająco niska odpowiedź basu jak na tak mały przetwornik.
• Dobra obsługa mocy, więc mam nadzieję, że mogę je trochę podkręcić bez obaw.

Mając na uwadze tych kierowców, nadszedł czas, aby pobrać arkusz danych i rozpocząć symulację.

Krok 3: Symulacja głośnika

Po wybraniu potencjalnego kandydata na przetwornik potrzebowałem kilku programów, aby przeprowadzić symulacje i ocenić skuteczność doboru głośników i projektu obudowy. Przeszedłem więc kilka kroków, aby stworzyć symulację pojedynczego przetwornika w podstawowej obudowie.

Pierwszy program, którego użyłem, nazywa się SplTrace. Jego wersja jest dostępna tutaj za darmo. To bardzo prosty mały program. Aby z niego skorzystać, najpierw zaimportowałem obraz charakterystyki częstotliwościowej i wykresów odpowiedzi impedancji wybranego przeze mnie przetwornika. Następnie, śledząc wykresy kursorem, mogłem przekonwertować obrazy wykresów na pliki, z których może korzystać oprogramowanie symulacyjne.

Następnie użyłem programu o nazwie Boxsim. Najnowsza angielska wersja dostępna jest tutaj. Stworzyłem nowy projekt i podążałem za wstępną konfiguracją. Następnie, odwołując się do arkusza danych, który pobrałem dla mojego kierowcy, wypełniłem wszystkie wymagane dane kierowcy. Na dole istnieje możliwość wprowadzenia danych dotyczących częstotliwości i impedancji. To tutaj załadowałem pliki, które stworzyłem za pomocą SplTrace. Następnie kliknąłem zakładki i dodałem wstępne szacunki dotyczące typu obudowy, wymiarów i częstotliwości strojenia, ponieważ zdecydowałem się na użycie obudowy z portami. Wentylowana obudowa zapewniła mi dwie korzyści. Po pierwsze, możliwość dostrojenia portu do niskiej częstotliwości, miejmy nadzieję, że nieco poszerzy odpowiedź basową. Po drugie, pozwala kierowcy na swobodniejsze poruszanie się i powinno być nieco wydajniejsze w porównaniu z zamkniętą obudową. Biorąc pod uwagę, że otwór wentylacyjny zostanie precyzyjnie zaprojektowany i wydrukowany jako integralna część obudowy, nie ma co myśleć.

Po prawidłowym wprowadzeniu do Boxsim wszystkich wymaganych informacji, podłączyłem pojedynczy sterownik do wzmacniacza w menu 'Wzmacniacz 1' i gdy nacisnąłem "OK" pojawił się ciekawy wykres, który wygląda mniej więcej tak, jak ten pokazany tutaj. Powodzenie! Miałem teraz podstawową symulację odpowiedzi częstotliwościowej, z którą mogłem zacząć majstrować.

Krok 4: Opracowanie projektu głośnika

Po wykonaniu pierwszej symulacji nadszedł czas, aby zrozumieć, w jaki sposób te informacje mogą kierować moimi wyborami projektowymi.

Przedstawiono mi typowy wykres odpowiedzi częstotliwościowej, z SPL (głośność w dB) na osi y i częstotliwością na osi x. Idealny głośnik miałby linię prostą na tym wykresie, od 20 Hz do 20 000 Hz. Dlatego moim celem było teraz dostrojenie wszelkich parametrów, aby mój głośnik był jak najbliżej tego wyimaginowanego idealnego głośnika.

W związku z tym natychmiast pojawiły się dwa problemy.

Pierwszym był znaczący wzrost na wykresie powyżej około 1000 Hz. Z pewnym wyrównaniem i/lub kilkoma filtrami analogowymi to może być prosty problem do rozwiązania… Gdyby nie mój drugi problem.

Klikając na Max. Zakładka SPL Widziałem podobnie wyglądający wykres odpowiedzi częstotliwościowej. Jednak w przeciwieństwie do drugiego, ten wykres pokazuje najgłośniejszy, jaki głośnik może odtwarzać przy danej częstotliwości, zanim przekroczy maksymalny limit mocy lub maksymalny limit wychylenia. Tak więc, nawet gdybym użył jakiegoś wyrównania (wytworny i nie „trzyma się” głośników, jeśli są poruszane) lub filtracji analogowej (drogie, skomplikowane i nieporęczne), aby uzyskać bardziej wyrównaną górę średnich z basem, mógłbym odtwarzać moją muzykę tylko z około 80 dB przy absolutnie najgłośniejszym. Chociaż 80 dB jest w rzeczywistości dość głośne (pomyśl o odkurzaczu lub wyrzucaniu śmieci), pamiętaj, że byłoby to na samym granicy możliwości głośników, co nie jest dobrym miejscem. Aby głośniki nie uległy samozniszczeniu lub nie brzmiały jak zniekształcone śmieci, chciałem mieć przyzwoitą ilość headroomu, zanim osiągną swoje granice. Jedynym sposobem, aby się tam dostać, było wybranie innego (prawie na pewno większego) kierowcy lub podwojenie ceny.

Krok 5: Finalizacja projektu głośnika

Tak więc, jak na pewno zauważyłeś na początku tego Instructable, zdecydowałem się podwoić. W porównaniu z dostępnymi 2 przetwornikami w Parts Express, dwa z nich powinny zapewniać tyle samo lub więcej osiągów za tę cenę. I szczerze mówiąc, podobał mi się wygląd dwóch ustawionych w stos przetworników. Estetyka też ma znaczenie:)

Dodanie duplikatu sterownika w Boxsim było dość łatwe. Zrobiłem nowy projekt w Boxsim, skopiowałem sterownik podczas wstępnej konfiguracji i użyłem ustawień "wspólnej obudowy zewnętrznej", aby zdefiniować obudowę i przegrodę. Dzięki temu wyniki wyglądały znacznie bardziej obiecująco. Miałem teraz 5-10 dB dodatkowego zapasu i gładszą ogólną krzywą. Bawiłem się objętością obudowy, częstotliwością strojenia i wypełnieniem, aż znalazłem kombinację, którą naprawdę lubiłem przy 0,45 litra, 125 Hz i „lekko nadziewanym”.

Podczas ich projektowania dowiedziałem się o zjawisku zwanym baffle step, czyli stratą dyfrakcyjną, która najwyraźniej jest głównym czynnikiem w przypadku większości głośników wysokiej jakości. Zasadniczo, gdy fale dźwiękowe pochodzą z głośnika, próbują promieniować we wszystkich kierunkach. W tym za głośnikiem. Ponieważ dźwięki o wysokiej częstotliwości mają bardzo krótką długość fali, odbijają się od przedniej powierzchni obudowy głośnika i są wystrzeliwane w stronę słuchacza. Ale dźwięki o niższej częstotliwości, ze znacznie dłuższymi falami, z łatwością zaginają się wokół obudowy głośnika. Tak więc dźwięki o wysokiej częstotliwości wydają się słuchaczowi nieco głośniejsze. Na szczęście można to łatwo naprawić za pomocą tylko jednego rezystora i cewki indukcyjnej. Ten kalkulator online poda Ci wartości, których potrzebujesz, biorąc pod uwagę kilka danych wejściowych. Stamtąd mogłem dodać obwód korekcji skoku przegrody w sekcji zwrotnicy symulowanego wzmacniacza i zobaczyć nowe wyniki. Bawiłem się trochę kalkulatorem, dopóki nie otrzymałem odpowiedzi, która mi się podobała, z wartościami komponentów, które były dostępne w Parts Express.

W tym momencie ważne jest, żebym przyznał się do prawdy i powiedział, że cóż, trochę oszukiwałem.:(Ale oto jak oszukiwałem i dlaczego w tym przypadku jest ok.

Dzięki temu, że sam je zbudowałem, wiedziałem dokładnie, gdzie i jak będą używane. Dało mi to trochę wiedzy, którą mogłem wykorzystać na swoją korzyść. Oba głośniki będą na moim biurku, przyciśnięte do dużej ściany i pod dwoma dużymi, płaskimi monitorami komputerowymi. Możesz zobaczyć, dokąd to zmierza. Te płaskie powierzchnie będą zachowywać się trochę jak duża przegroda, podbijając bas w sposób, o którym Boxsim nie jest w stanie wiedzieć. Powiedziałem więc Boxsimowi małe białe kłamstwo i udałem, że moje przegrody mają w rzeczywistości 100 cm wysokości i są szerokie. Przepraszam, nie przepraszam, Boxsim. Przypuszczam, że bardziej sztuka niż nauka:)

Jednak odkąd to zrobiłem, ważne było, aby pamiętać, że rzeczywiste wyniki prawdopodobnie leżą gdzieś pomiędzy symulacjami „małej przegrody” i „wielkiej przegrody”.

Krok 6: Projekt obudowy i zespołu (CAD)

I nagroda w Konkursie Autorskim Pierwszy raz