Thiết kế thùng loa bookshelf Visaton W 250 S và Fountek NeoCD3.5H

Quy trình tính toán và thiết kế thùng loa bookshelf 2 way Visaton W 250 S và Fountek NeoCD3.5H

A.Tiến đặt shop làm một cặp loa bookshelf 2 đường tiếng với loa bass có đường kính 25cm. Shop tư vấn anh dùng cặp loa Visaton W 250 S, loa bass 25cm có Fs xuống rất sâu tới 31Hz. Sau khi xem xét các thông số của Visaton W 250 S, đặc biệt là dải tần làm việc, độ nhạy và trở kháng của loa thì shop cân nhắc lựa chọn dòng siêu tép ribbon Fountek NeoCD3.5H ngon bổ rẻ mà shop đã từng làm cho nhiều dự án trước đây để ghép cùng cặp loa bass 25 này.

Visaton W 250 S 8 OHM

Việc lựa chọn loa tép để ghép cùng Visaton W 250 S nói riêng và loa bass nói chung cần phải đáp ứng các yếu tố sau: Thứ nhất là độ nhạy phải lớn hơn hoặc bằng đối với loa bass mà nó ghép cùng, trong trường hợp này, độ nhạy của Fountek NeoCD3.5H là 95 > 90dB của Visaton W 250 S => Đáp ứng được. Thứ hai là tần số cộng hưởng của loa tép phải thật thấp để có thể ghép cùng với các loa bass có dải tần hạn chế, ví dụ như Visaton W 250 S có dải tần từ 31Hz tới 5,500Hz, vậy thì tần số cắt khuyến nghị (thường là gấp đôi tần số Fs) của loa tép cần phải nhỏ hơn tần số giới hạn của loa bass (trong trường hợp này tần số cắt khuyến nghị của Fountek NeoCD3.5H 2,500Hz so với 5,500Hz của loa bass). Thứ 3 là dải tần của loa tép cần phải rộng và lớn hơn 20Khz càng tốt, cái này siêu tép ribbon Fountek NeoCD3.5H hoàn toàn đáp ứng vì nó có thể chơi từ 2,500Hz cho tới tần số 30,000Hz, mặc dù tai người khó cảm nhận được tới tần số cao như vậy.

Fountek NeoCD3.5H

Sau khi đã xác định được loa tép rồi thì shop tiến hành thiết kế thùng loa cho loa bass Visaton W 250 S, mà cụ thể là phải xác định được thể tích của thùng, kích thước 3 chiều của thùng, tần số cộng hưởng của thùng, vị trí, đường kính và độ dài ống thông hơi. Sau khi đã thiết kế xong thùng thì sẽ bắt đầu tiến hành thiết kế phân tần sau.

Để tính được thể tích thùng thì cần phải biết một trong những thông số quan trọng nhất của loa, đó là hệ số Qts, là hệ số thể hiện việc kiểm soát damping của một hệ thống loa. Hệ thống loa thông thường có Qts vào khoảng từ 0.2 tới 0.65 để chơi trong các thùng loa bass reflex, Qts lớn hơn 0.65 thì chơi loa ván hở. Loa có Qts càng lớn thì nếu chơi thùng bass reflex thì sẽ cần thùng càng lớn. Trong trường hơp này Qts của Visaton W 250 S là 0.32, như vậy sẽ cần một thùng có thể tích trung bình.

Việc tính được thể tích thùng, tần số cộng hưởng của thùng, kích thước ống thông hơi…được dựa trên nghiên cứu của hai ông Thiele (Neville Thiele) và Small (Richard Small) và được thực nghiệm bởi Robert Bullock, cả ba đều là những người nổi tiếng trong nghiên cứu audio, đặc biệt là hai ông Thiele và Small mà chúng ta được biết tới với tên gọi T/S parameters, sử dụng chữ cái đầu của tên các ông. Hiện nay có nhiều các phần mềm giúp tính thể tích thùng loa một cách dễ dàng và thuận tiện tuy nhiên những tính toán đó thường dựa nhiều trên lý thuyết và thiếu tính thực tế cũng như độ chính xác thực nghiệm.

Mục tiêu thiết kế của bất kỳ thùng loa nào (chưa tính tới phân tần) nói chung đều với mong muốn sao cho tần số cộng hưởng của thùng thấp nhất (tức là thùng có thể tạo ra tần số sâu nhất có thể) và đáp tuyến tần số của thùng bằng phẳng nhất. Một đáp tuyến “đẹp” như vậy tương đương với một bộ lọc bậc 4 của Butterworth, bậc 4 tức là độ dốc của nó vào khoảng 24dB/octave, mỗi một bậc là 6dB/octave.

Đáp tuyến tần số của một bộ lọc bậc 4 Butterworth lý tưởng.

Sau rất nhiều nghiên cứu và thực nghiệm thì các ông Thiele và Small đã đưa ra được một bảng các thông số mà dựa vào đó (cụ thể là dựa vào Qts) có thể tính ra các thể tích thùng mà đáp tuyến tần số đầu ra của nó tương đương với một bộ lọc bậc 4 của Butterworth hay chí ít là gần giống như vậy (tức là tần số cộng hưởng của thùng thấp nhất và bẳng phẳng nhất).

Đáp tuyến tần số của một bộ loa thì phụ thuộc vào 4 yếu tố: Trở kháng thuần Re của loa (đơn vị là Ohm), tần số cộng hưởng của củ loa (Fs) đơn vị là Hertz, Qts của củ loa và thể tích không khí tương đương mà một màng loa có thể tạo ra, Vas, đơn vị là lít. Những đơn vị này hầu hết được cung cấp bởi nhà sản xuất nên có thể biết được luôn còn không thì chúng ta sẽ phải đo đạc thủ công hoặc dùng công cụ/ phần mềm để biết được các thông số này. Trong phạm vi bài viết này của lòa Visaton W 250 S đã có đầy đủ các thông số nên tôi không đề cập tới cách đo đạc các thông số này.

Thực ra để chính xác khi thiết kế thùng loa thì còn phải tính đến hệ số damping của amply chơi cặp loa này, nội trở của dây loa từ amply vào tới cặp loa, nội trở của phân tần…tuy nhiên do hệ số damping của amply (amply của anh Tiến là Denon PMA-1600, tôi không tìm được damping factor của nó) là tương đối khó tìm nên chúng ta sẽ bỏ qua trị số này trong việc xác định thể tích thùng loa.

Hệ số Qts của Visaton W 250 S là 0.32, tức là theo Small, sẽ cần một thùng bình thường có QL = 5.

Từ Qts = 0.32, dựa vào bảng thông số là kết quả các nghiên cứu của ông Small, tính ra được các -hệ số h = 1.2376

Từ hệ số này tính ra được tần số cộng hưởng của thùng fB = h * fs = 1.2376 * 31hz = 38.3Hz

-hệ số alpha = 2.3667

Từ hệ số này tính ra được thể tích thùng Vb = Vas/alpha = 121 lít/ 2.3667 = 51.1 lít

Như vậy ta sẽ cần một thùng có thể tích là 51.1 lít nhưng cần phải cộng thêm với thể tích của ống thông hơi, thể tích của củ loa W 250 S và Fountek NeoCD3.5H và kể cả các thanh bracing ở bên trong thùng thì mới chuẩn xác.

Dựa vào nghiên cứu của David Weems về tỷ lệ vàng (0.6:1:1.62) trong thùng loa để triệt tiêu hoàn toàn sóng đứng, thì với thể tích 51.1 lít, sẽ cần một thùng loa có các cạnh có kích thước 40cm (rộng) x 25cm (sâu) và 65cm (cao).

Do loa có bề mặt rộng (40cm x 65cm), tôi sử dụng thêm 2 tấm bracing bên trong thùng loa tăng cường khả năng triệt tiêu sóng đứng.

Bây giờ ta sẽ đi tìm kích thước và độ dài của ống thông hơi dựa theo công thức:

L = (1.463 x 10⁷x R²) / F_B²V_B - 1.463R

Trong đó có thể thấy độ dài ống thông hơi tỷ lệ thuận vào đường kính ống thông hơi mà ta chọn (ống thông hơi đường kính càng lớn thì càng phải dài), và độ dài ống thông hơi tỷ lệ nghịch với tần số cộng hưởng của thùng và thể tích của thùng (thể tích thùng càng lớn, tần số cộng hưởng của thùng càng lớn thì ống càng phải ngắn).

Ngoài ra theo báo cáo của John Murphy, đường kính ống thông hơi được chọn dựa theo đường kính loa bass, với đường kính loa bass là 25cm của con W 250 S thì ống thông hơi cần chọn có đường kính từ 10cm tới 12cm. Shop không có ống 10cm và 12 cm nên sẽ sử dụng 2 ống 7.3cm trên một thùng thay cho ống 12cm.

Theo công thức

Như vậy khi sử dụng hai ống có đường kính bằng nhau, thì đường kính lỗ thông hơi tổng tương đương sẽ = 10.3cm. Thỏa mãn yêu cầu của John Murphy.

Dựa vào công thức trên thay R = 5.1cm (là bán kính của ống thông hơi tổng của hai ống 7.3cm vừa tìm được), Fb chính là Fb vừa tìm thấy ở trên = 38.3hz và Vb = 51.1 lít vào công thức trên.

Ta tính được độ dài của ống thông hơi là 26.44cm, chia đôi cho hai ống có đường kính 7.3cm thì độ dài của mỗi ống là 13.22cm.

Lưu ý là đường kính ống thông hơi khi thiết kế cần tối thiểu 2.54cm, không nên bé hơn, bé hơn khi hoạt động ở công suất lớn vận tốc không khí di chuyển qua ống với tốc độ cao sẽ gây ra tạp âm.

Lên thiết kế 3D cho thùng loa

Sau khi lên thùng sẽ cần đo lại xem tần số cộng hưởng thực tế của thùng có đúng với tần số cộng hưởng lý thuyết vừa tính hay không. Tức là tần số cộng hưởng thực tế có bằng 38.5Hz hay không.

Nhìn vào đáp tuyến trở kháng có thể thấy điểm lõm giữa hai đỉnh mà tại đó trở kháng lớn nhất, điểm lõm đó chính là tần số cộng hưởng của thùng. Như vậy là tần số cộng hưởng thực tế bằng đúng với tần số cộng hưởng mong muốn về lý thuyết và bằng 38.5Hz. Và như vậy là thiết kế đã đạt.

Như vậy shop đã thiết kế xong một thùng loa bookshelf hai đường tiếng, là điều kiện cần để có thể có một bộ loa bookshelf đạt chuẩn, bây giờ điều kiện đủ sẽ là thiết kế phân tần cho cặp loa này.

THIẾT KẾ PHÂN TẦN

Để thiết kế phân tần cũng như là công việc may đo quần áo, cần phải biết được kích thước của người cần may như thế nào. Kích thước của người cần may ở đây chính là trở kháng của loa, dải tần của loa và độ nhạy của loa. Đây là ba thông số quan trọng nhất để thiết kế phân tần cho loa.

Để bắt đầu thì shop như mọi lần sẽ đi đo đáp tuyến trở kháng và đáp tuyến tần số của Visaton W 250 S và Fountek NeoCD3.5H.

Đáp tuyến trở kháng của Visaton W 250 S chính là đáp tuyến trở kháng đo được phía trên, với 2 đỉnh tại đó trở kháng lớn nhất tương ứng với 2 lỗ thông hơi.

Đáp tuyến tần số của W 250 S

Đáp tuyến tần số của W 250 S khá là rộng, lên tới gần 5000Hz, và đáp tuyến tần số thấp thì sâu tới 38.5Hz.

Còn đây là đáp tuyến trở kháng và đáp tuyến tần số của siêu tép ribbon Fountek NeoCD3.5H.

Xem xét thông số kỹ thuật của 2 mẫu driver này shop quyết định chơi cặp bass W 250 S full range, tức là cho đánh thẳng, không cắt gì và chỉ cắt loa siêu tép ribbon NeoCD3.5H mà thôi.

Nhìn vào đáp tuyến trở kháng của W 250 S thì trở kháng của nó tăng lên từ sau khoảng 300, 400 Hz và như vậy sẽ cần phải dùng mạch Zobel để làm bằng đáp tuyến trở kháng của nó.