Καμπίνες Ηχείων: Τύποι, Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα

Εισαγωγή

Με τον όρο "καμπίνα ηχείου" ορίζουμε την ξύλινη κατασκευή στην οποία τοποθετούνται τα μεγάφωνα και το κύκλωμα του crossover. Στην περίπτωση που το ηχείο είναι "ενεργό", στην καμπίνα εμπεριέχεται και το κύκλωμα του τελικού ενισχυτή (συνήθως στο πίσω μέρος).

Ο βασικός ρόλος της καμπίνας ενός ηχείου είναι ο περιορισμός της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κύματων που παράγονται στο πίσω μέρος του κώνου ενός μεγαφώνου με το αντίστοιχο μπροστά μέρος του. Με αυτό τον τρόπο ελαχιστοποιούνται οι όποιες πιθανές "ακυρώσεις φάσης" (comb filters) θα δημιουργούνταν αν δεν υπήρχε η καμπίνα και οι οποίες θα προκαλούσαν αλλοίωση/"παραμόρφωση" του τελικού ηχητικού σήματος που θα αντιλαμβανόταν ο ακροατής.

• Comb filtering: Είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού δύο (ή περισσότερων) αντιγράφων του ίδιου ηχητικού σήματος, μεταξύ των οποίων υπάρχει μια μικρή χρονική καθυστέρηση. Η καθυστέρηση αυτή εισάγει μια διαφορά φάσης, οδηγώντας στο γνωστό χαρακτηρισμό ότι τα ηχητικά σήματα είναι "εκτός φάσης" ή ότι το ένα "ακυρώνει" το άλλο. Αποτέλεσμα αυτού είναι η δημιουργία απότομων βυθίσεων στην απόκριση συχνότητας με τον ήχο να αποκτά μια "κενή" ή "flangy" χροιά. Τα σημεία του φάσματος που έχουν επηρεαστεί από τις ακυρώσεις φάσης, διαφέρουν ανάλογα με τις συχνότητες που επηρεάζονται σε κάθε περίπτωση.

Ένας ακόμη βασικός ρόλος της καμπίνας είναι η διαχείριση των δονήσεων που παράγονται από τα μεγάφωνα. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος για τον οποίο η καμπίνα πρέπει να έχει επαρκές πάχος και εσωτερικά δεσίματα (braces). Για τις πάνω, κάτω, δεξιά και αριστερά επιφάνειες, κομμάτια MDF πάχους 19mm θεωρούνται επαρκή, ενώ για τη μπροστινή επιφάνεια (μπάφλα), όπου τοποθετούνται/βιδώνονται τα μεγάφωνα, το ιδανικό πάχος είναι τουλάχιστον το διπλάσιο 38mm.

• Δεσίματα (braces): Η εσωτερική κατασκευή στήριξης της καμπίνας για την οποία μπορεί να χρησιμοποιηθούν κομμάτια είτε απο MDF είτε από κόντρα πλακέ. Ο σκοπός αυτής είναι το "δέσιμο" όλων των εξωτερικών πλευρών του ηχείου (πάνω/κάτω, δεξιά/αριστερά, μπρος/πίσω) μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα φαίνεται εδώ.

  
  

Ένας ακόμα παράγοντας που βοηθά στην ελαχιστοποίηση των δονήσεων και συνεισφέρει στη ευκρίνεια του ήχου του ηχείου, είναι ο "διαχωρισμός" (αποσύζευξη/decouple) της καμπίνας από την επιφάνεια στην οποία στηρίζεται π.χ. πάτωμα ή γραφείο.

Τα iso-puck και iso-stands της IsoAcoustics είναι μια πολύ καλή επιλογή για το σκοπό αυτό.

Ηχοαπορρόφηση του εσωτερικού της καμπίνας

Ο εσωτερικός χώρος και τα τοιχώματα της καμπίνας μπορούν και ιδανικά θα πρέπει να καλύπτονται με δύο διαφορετικά στρώματα μονωτικού/ηχοαπορροφητικού υλικού (o πολυεστέρας μαζί με κάποιου τύπου ηχοαπορροφητικό ύφασμα είναι ένας καλός συνδυασμός). Η ηχοαπορρόφηση βοηθάει στον περιορισμό των συντονισμών/ηχητικών αντανακλάσεων εντός της καμπίνας, δημιουργώντας την αίσθηση, για το μεγάφωνο, ότι βρίσκεται σε μεγαλύτερη καμπίνα από αυτή που είναι στην πραγματικότητα (παραπάνω λίτρα/όγκος δηλαδή). Έκτος αυτού, περιορίζει σημαντικά τις υψηλές συχνότητες από το να "ακτινοβολούν" απο το port/bass reflex.

Όλα τα εσωτερικά τοιχώματα μπορούν να καλυφθούν με ηχοαπορροφητικό υλικό εκτός από τα δεσίματα και το εσωτερικό μέρος της μπροστινής μπάφλας. Η τοποθέτηση διπλού στρώματος πολυεστέρα στο εσωτερικό τοίχωμα της καμπίνας αντιδιαμετρικά και πίσω από το woofer αλλά και στα πάνω/κάτω τοιχώματατα αντίστοιχα, είναι επίσης μια καλή πρακτική.

Μια ακόμη βελτίωση η οποία μπορεί να αυξήσει τη στιβαρότητα και τη μάζα των τοιχωμάτων είναι η τοποθέτηση πισσόχαρτων, πριν την προσθήκη των μονωτικών υλικών, περιορίζοντας έτσι ακόμη περισσότερο τις δόνησεις των τοιχωμάτων.

Είδη Καμπίνας Ηχείων

Κλειστού τύπου (Closed/Sealed Box)

Περιγραφή

Αυτός ο τύπος καμπίνας είναι ουσιαστικά ένα αεροστεγές κουτί, στο εσωτερικό του οποίου η πίεση μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα των κινήσεων του κώνου του μεγαφώνου. Είναι η πιο εύκολη καμπίνα στην κατασκευή καθώς το μόνο που απαιτείται είναι ο υπολογισμός του όγκου της καμπίνας (σε λίτρα L) που αντιστοιχεί στο εκάστοτε woofer/sub μεγάφωνο.

Η τοποθέτηση απορροφητικού υλικού στο εσωτερικό της καμπίνας βοηθάει στην απορρόφηση των στάσιμων κυμάτων που δημιουργούνται εντός αυτης, από το πίσω μέρος του μεγαφώνου (driver).

Παράδειγμα closed καμπίνας

Παράδειγμα απόκρισης συχνότητας

Μεγάφωνο Dayton 10" (μοντέλο: RSS265HF-8)

Μέτρηση με DATS

-3db @ 42Hz / -6db @ 29Hz

Πλεονεκτήματα

• Έυκολη σχεδίαση/κατασκευή

• Μικρό group delay

• Καλύτερο transient response (συγκριτικά με τη bass reflex καμπίνα)

• Ομαλό roll-off (12 dΒ/octave)

  • Transient: Ένας ήχος μεγάλης έντασης και μικρής διάρκειας, στην αρχή μιας κυματομορφής ενός ηχητικού σήματος. Ένας τέτοιος ήχος είναι για παράδειγμα η αρχική "κορυφή" της κυματομορφής του χτύπηματος μιας μπότας ή ενός ταμπούρου (drums) .

  • Roll-off: αναφέρεται στην κλίση της μείωσης της έντασης στις χαμηλές συχνότητες του μεγαφώνου (το τμήμα από 100Hz έως και 10-20Hz στα παραδείγματά μας).

  • dB/octave: εκφράζει το πόσο απότομα η μείωση αυτή φτάνει μετά τη συχνότητα αποκοπής/"cutoff" frequency (κάτω από τα -12db point στο διάγραμμά μας).

Μειονεκτήματα

• Χαμηλή απόδοση

• Η απόκριση συχνότητας στις πολύ χαμηλές συχνότητες δεν είναι τόσο "γεμάτη" και τόσο κοντά στον άξονα αναφοράς (0 db), όσο στη bass reflex καμπίνα.

Περισσότερα για την καμπίνα κλειστού τύπου ➡ εδώ

Bass Reflex / Ported / Vented

Περιγραφή

Aυτός ο τύπος καμπίνας χαρακτηρίζεται από ένα άνοιγμα (τρύπα) στη μπάφλα του woofer/sub στην οποία στερεώνεται ένα τμήμα PVC σωλήνα, το οποίο στη συνέχεια σφραγίζεται περιμετρικά στο σημείο που πατάει στο άνοιγμα αυτό. Ξεκινώντας από ένα μεγάφωνο και μια καμπίνα δεδομένου όγκου, το "κούρδισμα" (tuning) του port για το ζεύγος αυτό (μεγάφωνο-όγκος καμπίνας), γίνεται με βάση το μήκος του port/σωλήνα.

Η ύπαρξη του port βελτιώνει σημαντικά την αναπαραγωγή των πολύ χαμηλών συχνοτήτων (στο εύρος 20-60Hz) αξιοποιώντας την ενέργεια των κυμάτων που παράγονται από το πίσω μέρος του woofer. Με αυτόν τον τρόπο, το woofer σε συνδυασμό με το port, το οποίο "ακτινοβολεί" στη συγκεκριμένη συχνότητα στην οποία έχει γίνει tune, παρέχουν μια "γεμάτη" απόκριση συχνότητας μέχρι και τις πολύ χαμηλές συχνότητες του ηχητικού φάσματος.

Παράδειγμα καμπίνας bass reflex

Παράδειγμα απόκρισης συχνότητας

Μεγάφωνο Dayton 10" (μοντέλο: RSS265HF-8)

Μέτρηση με DATS

-3db @ 19Hz / -6db @ 17Hz

Πλεονεκτήματα

• Μεγαλύτερη απόδοση από την closed καμπίνα

• Η απόκριση συχνότητας των μεγαφώνων μπορεί να φτάσει χαμηλότερα από το σημείο Fs

  • Συχνότητα Συντονισμού (Fs): Είναι το σημείο στο οποίο το βάρος των κινούμενων τμημάτων του ηχείου αντισταθμίζεται από τη δύναμη της ανάρτησης του ηχείου καθώς κινείται, με τέτοιο τρόπο ώστε ο κώνος να παραμένει τέλεια ισορροπημένος/ακίνητος. Γύρω από το σημείο αυτό και χαμηλότερα, η απόκριση συχνότητας του μεγαφώνου ξεκινάει να φθίνει (roll-off).

• Μειωμένη παραμόρφωση

• Σχετικά υψηλότερη δυνατότητα διαχείρησης ισχύος (power handling) συγκριτικά με την closed καμπίνα

Μειονεκτήματα

• Κατώτερο transient response συγκριτικά με την closed καμπίνα

• Μεγαλύτερος όγκος καμπίνας από την closed

• Πιο απότομο roll-off (24 dΒ/octave)

• Θορύβος του port μόνο αν η διάμετρος του είναι μικρότερη από το απαιτούμενο ή χρησιμοποείται non-flared σωλήνα (vs flared)

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την bass reflex καμπίνα ➡ εδώ

Κλειστού τύπου vs Ported

Ίδιο μεγάφωνο σε καμπίνα ίδιου όγκου (125L)

Passive Radiator

Περιγραφή

Ο τρόπος λειτουργίας είναι παρόμοιος με την bass reflex καμπίνα αλλά σε αυτήν την περίπτωση το port αντικαθίσταται με ένα παθητικό μεγάφωνο το οποίο γίνεται tune με τη βοήθεια πλακιδίων που προσθέτουν βάρος και τοποθετούνται απευθείας πάνω στον κώνο του παθητικού μεγαφώνου (σε αντίθεση με την μεταβολη του μήκους του port στις bass reflex καμπίνες).

Παράδειγμα καμπίνας passive radiator

Κλειστού τύπου vs Ported vs Passive Radiator (Απόκριση Συχνότητας)

Πλεονεκτήματα

• Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρές έως και πολύ μικρές καμπίνες low tuned designs (χαμηλού "κουρδίσματος") στις οποίες είναι φυσικά αδύνατο να χωρέσει το port λόγω του μήκους του.

  • καταλήγοντας έτσι σε πιο compact κατασκευές

• Βελτιωμένο low end frequency extension (απόκριση χαμηλών συχνοτήτων) συγκριτικά με την closed καμπίνα

Μειονεκτήματα

• Πιο απότομο roll-off στις χαμηλές συχνότητες συγκριτικά με το bass reflex 29dΒ/octave

• Το roll-off ξεκινάει σε υψηλότερες συχνότητες συγκριτικά με το bass reflex

• Η τιμή (€) του παθητικού μεγαφώνου είναι σημαντικά υψηλότερη σε σχέση με το port

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το passive radiator ➡ εδώ

Transmission Line

Περιγραφή

Σε αυτόν τον τύπο καμπίνας, σε αντίθεση με το bass reflex, δημιουργείται στο πίσω μέρος του μεγαφώνου μία γραμμή ή ένας "λαβύρινθος", μέσω του οποίου ταξιδεύουν τα ηχητικα κύματα.

• Ο λαβύρινθος δεν είναι το μόνο πιθανό σχήμα αλλά είναι το πιο δημοφιλές καθώς βοηθάει στην εξοικονόμηση χώρου, αποτρέπωντας από το να γίνει υπερβολικά μεγάλο το μέγεθος της καμπίνας.

Το μήκος του λαβυρίνθου αυτού, σχετίζεται με την συχνότητα συντονισμού (Fs) του μεγαφώνου. Στην πράξη το μήκος του επιλέγεται έτσι ώστε να γίνει tune στο 1/4 του μήκους κύματος που αντιστοιχεί στη συχνότητα συντονισμού του μεγαφώνου (βλέπε παράδειγμα παρακάτω). Με τον τρόπο αυτό, αντιστρέφουμε κατά 90° τη φάση των κυμάτων του πίσω μέρους του μεγαφώνου μέσα απο το λαβύρινθο, τα οποία στη συνέχεια "προστίθενται" κατά την έξοδο τους από αυτόν, με τα κύματα του μπροστά μέρους του μεγαφώνου (driver), στη μπροστινή (& έξω) μεριά της μπάφλας του ηχείου.

Το δύσκολο μέρος της κατασκευής, είναι το να γεμίσουμε τον λαβύρινθο με ηχοαπορροφητικά υλικά διαφόρων πυκνοτήτων και πάχους, σε τυχαία σχήματα, μέχρι να απορροφηθούν όλες οι υψηλές συχνότητες, αφήνοντας μόνο τις χαμηλές (με αντίστοιχο τρόπο με αυτό που κάνουμε στη bass reflex καμπίνα).

Αυτός είναι και ο βασικός λόγος για τον οποίο δεν υπάρχει αξιόπιστος τρόπος να προβλεφθεί/προσομοιωθεί η έξοδος του λαβυρίνθου, η οποία τελικά επαναφέρει την έλλειψη ενέργειας του μεγαφώνου στη συχνότητα συντονισμού (Fs), καθιστώντας αυτό το είδος καμπίνας λιγότερο δημοφιλές από τη bass reflex.

Σημειώσεις για τη Συχνότητα Απόκρισης:

• παρόμοια με αυτή της καμπίνας bass reflex

  • το roll-off των χαμηλών συχνοτήτων ξεκινάει σε λίγο πιο υψηλή συχνότητα σε σχέση με την καμπίνα bass reflex

  • πιο ομαλό roll-off, παρόμοιο με την κλειστού τύπου

  • η συχνότητα αποκοπής (cut off) είναι λίγο χαμηλότερα συγκριτικά με τη bass reflex, στην subsonic περιοχή (κάτω από 20Hz)

Στο παράδειγμά μας Fs=27,83Hz

• Μήκος Κύματος= 343(ταχύτητα ήχου)/27,83=12,32m

• 1/4 Μήκος Κύματος= 12,32/4=3m μήκος γραμμής/λαβύρινθου

Παράδειγμα καμπίνας transmission line

Ported vs Transmission Line

(Απόκριση Συχνότητας)

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το transmission line ➡ εδώ

Σημειώσεις

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα διάφορα είδη καμπίνων ➡ εδώ & εδώ

• Infinite baffle or Free-air

  

• Finite or Open baffle

  

• Bandpass

  

• Folded Horn

  

Επίλογος

Κάποιες τελικές σκέψεις και πρακτικοί κανόνες σχετικά με τις καμπίνες, τα μεγάφωνα και τα ports.

• Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του μεγαφώνου τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η καμπίνα, το οποίο όμως καταλήγει σε ένα ηχείο με πλούσιο, γεμάτο και ισορροπημένο φάσμα χαμηλών συχνοτήτων. Αυτό επηρεάζει το βάθος (sound stage) και την στερεοφωνική εικόνα (stereo image) του ηχείου πολύ περισσότερο απ' όσο ίσως φανταζόμαστε, οδηγώντας σε μια σημαντικά βελτιωμένη/ανώτερη ακουστική εμπειρία.

• Μικρότερες καμπίνες συνεπάγονται μπάφλες μικρότερου μεγέθους το οποίο με τη σειρά του σημαίνει περισσότερα προβλήματα diffraction (περίθλασης), τα οποία θα πρέπει στη συνέχεια, να διορθωθούν στο κύκλωμα του crossover.

• H χρήση υλικών όχι ικανοποιητικού πάχους για τα τοιχώματα της καμπίνας, η έλλειψη εσωτερικών braces (δεσίματα) και η απουσία decoupling, έχουν σαν αποτέλεσμα να φτάνουν στα μεγάφωνα (drivers) περισσότερες δονήσεις οι οποίες τελικά αλλοιώνουν την στερεοφωνική εικόνα και την ευκρίνεια ενός ηχείου.

• Κατά την επιλογή μιας καμπίνας με port, συνίσταται η επιλογή της μεγαλύτερης δυνατής διάμετρου για το port το οποίο ιδανικά προτείνεται να είναι flared, τουλάχιστον απο τη μεριά της μπάφλας (αν όχι και στα δύο άκρα του) για την ελαχιστοποίηση των αναταράξεων του αέρα και του θορύβου που οφείλεται σε αυτές.

  • Σε γενικές γραμμές, τα στρογγυλά ports παρουσιάζουν την καλύτερη γραμμικότητα. Εφόσον είναι εφικτό, καλό είναι να αποφεύγονται σωλήνες που σχηματίζουν γωνίες 90° ή να επιλέγονται τμήματα σωλήνων γωνίας 45° για ελαχιστοποίηση των αναταράξεων.

• Επιλέξτε το μεγάφωνο με το μεγαλύτερο excursion (Xmax), την πιο "flat" απόκριση και πάντα να λαμβάνετε υπόψιν σας πως τα υλικά των μεγαφώνων (woofer/mid/tweeter) παίζουν σημαντικό ρόλο, αν όχι το μεγαλύτερο, στην τονικότητα, τις αντηχήσεις αλλά και το γενικότερο/συνολικό χαρακτήρα του ηχείου.

  • Μερικά παραδείγματα υλικών είναι το χαρτί, το μετάξι, το αλουμίνιο, τα ανθρακονήματα και το διαμάντι μεταξύ άλλων...

Go big or go blown...🔥