Tiny * Alto-falantes de mesa de alta fidelidade (impresso em 3D): 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Passo muito tempo na minha mesa. Isso costumava significar que eu passava muito tempo ouvindo minha música através dos horríveis alto-falantes minúsculos embutidos nos monitores de meu computador. Inaceitável! Eu queria som estéreo real e de alta qualidade em um pacote atraente que caberia sob os monitores da minha pequena mesa. Os "alto-falantes de computador" típicos são sempre uma desvantagem, então me propus a aplicar alguns princípios básicos de design e engenharia de alto-falantes para construir um par de alto-falantes sem concessões (ok, mais como baixo comprometimento) que, por seu tamanho, impressionar qualquer audiófilo.

Apresentando a mais nova adição à minha família HiFi, os alto-falantes Nano-HiFi Desktop "Kitten". (Agora aceitando inscrições para nomes melhores)

Esses alto-falantes medem aproximadamente 4,25 pol. (10,8 cm) de altura, 2,75 pol. (7 cm) de largura e cerca de 4,5 pol. (11,4 cm) de profundidade, incluindo os postes de ligação, e são projetados para um ótimo som em um pacote minúsculo. Eles são feitos usando uma impressora 3D de extrusão típica, usando filamento PLA. Vamos entrar nisso!

Suprimentos

Peças e materiais:

• 4x drivers de alto-falante Aura "Cougar" NSW1-205-8A 1"
• 2x indutores de crossover de 0,2 mH
• 2 resistores de "qualidade de áudio" de 2,4 Ohm
• 'Madeira Plástica' ou enchimento de madeira semelhante
• 'Perfect Plastic Putty' ou enchimento semelhante
• Primer spray e tinta
• Super cola
• Selante de silicone RTV ou similar
• 4 terminais de fio / postes de ligação
• Aproximadamente. 3-4 pés de fio isolado de 18-20 ga
• Conectores de espada fêmea
• 4 parafusos de máquina M2x12
• 4x porcas M2
• 4 arruelas M2
• Duas pequenas peças de madeira compensada de 1/8 "- 1/4" de espessura ou placa semelhante resistente

Ferramentas:

• Impressora 3D e filamento de escolha
• Ferro de solda e solda
• Lixa de lixa e / ou limas de unha, vários grãos de 200-1000
• Descascadores / cortadores de arame, faca xacto e algumas outras ferramentas básicas serão úteis

Etapa 1: Metas e restrições

Quer eu saiba ou não, quando construo algo começo, fundamentalmente, com duas coisas. Metas e restrições. Então aqui estão eles.

Metas:

• Extensão de graves o mais baixa possível. Com sorte, 90 - 100 Hz antes que o baixo comece a ficar muito baixo.
• Volume de audição aceitável. Já existem muitos alto-falantes minúsculos que soam muito bem em todas as frequências; Eles são chamados de fones de ouvido. O problema é que você precisa enfiá-los na cabeça. Obviamente não é isso que eu procuro, e torná-los capazes de ouvir à distância é um pouco mais difícil de conseguir.
• Resposta de frequência plana. Tente eliminar grandes ressonâncias, picos e vales que afetam a maioria dos alto-falantes pequenos.

Restrições:

• Tamanho. Os alto-falantes devem caber sob os monitores do meu computador, portanto, não podem ter mais do que cerca de 10 centímetros de altura e 12 centímetros de profundidade. Eu determinei que um volume interno de cerca de 500 mL é um bom alvo. Além disso, como usei uma impressora 3D na minha universidade, fiquei limitado a cerca de 250 gramas de material de impressão.
• Custo. Não tenho um milhão de dólares para gastar com esses alto-falantes, portanto, nada de materiais, ferramentas ou peças exóticas.
• Complexidade. Isso se alinha um pouco com o custo, mas também com meu nível de habilidade e tempo. Isso provavelmente me limita a um design 'fullrange' porque é muito mais simples do que um design de 2 ou 3 vias e não requer componentes de crossover caros.
• Design esteticamente agradável. Porque tenho que olhar para essas coisas o dia todo.

Etapa 2: Seleção do Motorista

Com objetivos e restrições em mente, é hora de…. vai fazer compras?

Isso mesmo. Como os drivers são o coração de qualquer alto-falante, escolhi um driver primeiro e projetei o resto do alto-falante em torno dele. Como planejava pensar nisso, não só precisava de drivers que se encaixassem, mas também de especificações e medidas decentes fornecidas pelo fabricante. Eu irei entender por que eles são importantes em um minuto, mas sem eles o design do meu alto-falante torna-se basicamente um palpite completo.

Então eu abri meu site favorito para comprar componentes de alto-falantes, Parts Express, e procurei por drivers "fullrange" na faixa de 1 "- 2". Eu encontrei estes, o AuraSound "Cougar" (daí derivado "Kitten" para o nome dos meus alto-falantes. Entendeu?), Que tem algumas boas qualidades.

• Tamanho pequeno. Quanto menor, melhor.
• Barato. Apenas cerca de US $ 10,50 cada.
• Excelente desempenho de médios e agudos e resposta de graves incrivelmente baixos para um driver tão pequeno.
• Bom manuseio de energia, então espero que eu possa aumentá-los um pouco sem me preocupar.

Com esses drivers em mente, era hora de baixar a planilha de dados e começar a simular.

Etapa 3: Simulação de alto-falante

Com um candidato potencial a driver selecionado, eu precisava de alguns softwares para executar simulações e julgar a eficácia da minha escolha de alto-falante e design de gabinete. Então, segui alguns passos para criar uma simulação de um único driver em um gabinete básico.

O primeiro programa que usei é chamado SplTrace. Uma versão dele está disponível aqui gratuitamente. Este é um pequeno programa muito simples. Para usá-lo, primeiro importei uma imagem dos gráficos de resposta de frequência e resposta de impedência do driver escolhido. Então, traçando as plotagens com meu cursor, fui capaz de converter as imagens das plotagens em arquivos que o software de simulação pode usar.

Em seguida, usei um programa chamado Boxsim. A última versão em inglês está disponível aqui. Criei um novo projeto e acompanhei a configuração inicial. Em seguida, fazendo referência à folha de dados que baixei para o meu motorista, preenchi todos os dados do motorista necessários. Na parte inferior, há a opção de inserir dados de resposta de frequência e impedência. É aqui que carreguei os arquivos que criei usando o SplTrace. Em seguida, cliquei nas guias e adicionei estimativas iniciais para tipo de gabinete, dimensões e frequência de ajuste, já que decidi usar um gabinete com porta. Um gabinete ventilado proporcionou dois benefícios para mim. Primeiro, a capacidade de sintonizar a porta para uma baixa frequência, com sorte estendendo um pouco a resposta de graves. Em segundo lugar, permite que o driver se mova com mais liberdade e deve ser um pouco mais eficiente em comparação com um gabinete selado. Dado que a ventilação será precisamente projetada e impressa como parte integrante do gabinete, é um acéfalo.

Com todas as informações solicitadas inseridas no Boxsim corretamente, conectei o único driver ao amplificador no menu 'Amplificador 1' e quando pressionei "Ok" foi apresentado um gráfico interessante que se parece com o mostrado aqui. Sucesso! Agora eu tinha uma simulação de resposta de frequência de linha de base para começar a mexer.

Etapa 4: desenvolver o design do alto-falante

Com minha primeira simulação feita, era hora de entender como essas informações poderiam guiar minhas escolhas de design.

Sou apresentado a um gráfico de resposta de frequência típico, com SPL (volume, em dB) no eixo y e frequência no eixo x. Um alto-falante perfeito teria uma linha reta em todo este gráfico, de 20 Hz a 20.000 Hz. Portanto, meu objetivo agora era ajustar todos os parâmetros que pudesse para fazer meu alto-falante ficar o mais próximo possível desse alto-falante ideal imaginário.

Com isso, dois problemas se apresentaram imediatamente.

O primeiro foi o aumento significativo no gráfico acima de cerca de 1000 Hz. Com alguma equalização e / ou alguns filtros analógicos, este poderia ser um problema simples de resolver … Se não fosse pelo meu segundo problema.

Clicando em Max. Guia SPL Eu vi um gráfico de resposta de frequência de aparência semelhante. No entanto, ao contrário do outro, este gráfico mostra o volume mais alto que o alto-falante pode tocar em uma determinada frequência antes de exceder seu limite máximo de potência ou limite máximo de excursão. Assim, mesmo que eu usasse alguma equalização (mimada e não "gruda" nos alto-falantes se eles forem movidos) ou filtragem analógica (cara, complicada e volumosa) para obter os agudos médios mais alinhados com os graves, Eu só conseguiria tocar minha música em cerca de 80 dB no mais alto absoluto. Embora 80 dB seja bastante alto (pense em um aspirador de pó ou no lixo), lembre-se de que isso seria o limite da capacidade dos alto-falantes, o que não é um bom lugar para se estar. Para evitar que os alto-falantes se autodestruíssem ou soassem como lixo distorcido, eu queria uma quantidade razoável de espaço livre antes que atingissem seus limites. A única maneira de chegar lá era escolher um driver diferente (quase certamente maior) ou dobrar.

Etapa 5: finalizando o design do alto-falante

Então, como você certamente notou no início deste Instructable, optei por dobrar. Em comparação com os drivers de 2 disponíveis no Parts Express, dois deles devem fornecer tanto ou mais desempenho pelo preço. E, para ser honesto, eu gostei da aparência de dois drivers empilhados. A estética também importa:)

Adicionar um driver duplicado no Boxsim foi muito fácil. Fiz um novo projeto no Boxsim, copiei o driver na configuração inicial e usei as configurações de "invólucro externo comum" para definir o gabinete e o defletor. Feito isso, os resultados pareceram muito mais promissores. Agora eu tinha 5-10 dB de headroom adicional e uma curva geral mais suave. Eu brinquei com o volume do gabinete, a frequência de sintonia e o enchimento até encontrar uma combinação que realmente gostei em 0,45 litros, 125 Hz e 'levemente recheado'.

Enquanto estava no processo de projetá-los, aprendi sobre um fenômeno denominado passo defletor, também conhecido como perda de difração, que aparentemente é uma consideração importante para a maioria dos alto-falantes de alta qualidade. Essencialmente, quando as ondas sonoras vêm de um alto-falante, elas tentam irradiar em todas as direções. Incluindo atrás do alto-falante. Como os sons de alta frequência têm um comprimento de onda muito curto, eles ricocheteiam na superfície frontal da caixa do alto-falante e são disparados de volta para o ouvinte. Mas os sons de frequência mais baixa, com seus comprimentos de onda muito mais longos, irão facilmente dobrar ao redor do gabinete do alto-falante. Assim, os sons de alta frequência parecem um pouco mais altos para o ouvinte. Felizmente, isso é facilmente corrigido com apenas um resistor e indutor. Esta calculadora online dirá os valores de que você precisa com algumas entradas. A partir daí, eu poderia adicionar meu circuito de correção de passo do defletor na seção de cruzamento do meu amplificador simulado e ver os novos resultados. Eu mexi um pouco na calculadora até obter uma resposta de que gostei com os valores dos componentes que estavam disponíveis no Parts Express.

Nesse ponto, é importante confessar e dizer que, bem, trapaceei um pouco.: (Mas aqui está como eu trapaceei e por que, neste caso, está tudo bem.

Graças a construí-los, eu sabia exatamente onde e como eles seriam usados. Isso me proporcionou um pouco de conhecimento que eu poderia usar a meu favor. Os dois alto-falantes estarão na minha mesa, encostados em uma grande parede e sob dois monitores grandes e planos. Você pode ver onde isso vai dar. Essas superfícies planas vão agir como um grande defletor, aumentando os graves de uma forma que o Boxsim não consegue conhecer. Então eu disse a Boxsim uma pequena mentira e fingi que meus defletores têm, na verdade, 100 cm de altura e largura. Desculpe, não desculpe, Boxsim. Mais uma arte do que uma ciência, suponho:)

No entanto, desde que fiz isso, era importante ter em mente que os resultados da vida real provavelmente ficariam em algum lugar entre as simulações de "defletor minúsculo" e "defletor enorme".

Etapa 6: Design de gabinete e montagem (CAD)

Primeiro Prêmio no Concurso de Autoria pela Primeira Vez