Tiny* High-Fidelity desktopluidsprekers (3D geprint): 11 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Ik breng veel tijd door aan mijn bureau. Vroeger betekende dit dat ik veel tijd besteedde aan het luisteren naar mijn muziek via de vreselijke blikkerige luidsprekers die in mijn computerschermen waren ingebouwd. Onaanvaardbaar! Ik wilde echt stereogeluid van hoge kwaliteit in een aantrekkelijk pakket dat onder de monitoren op mijn kleine bureau zou passen. Typische "computerluidsprekers" zijn altijd een teleurstelling, dus ik begon een aantal basisprincipes van luidsprekerontwerp en engineering toe te passen om een paar compromisloze (oké, meer als compromisloze) luidsprekers te bouwen die, gezien hun grootte, zullen maak indruk op elke audiofiel.

Introductie van de nieuwste toevoeging aan mijn HiFi-familie, de "Kitten" Nano-HiFi Desktop-luidsprekers. (Nu accepteren inzendingen voor betere namen)

Deze luidsprekers zijn ongeveer 10,8 cm lang, 7 cm breed en ongeveer 11,4 cm diep, inclusief de verbindingsposten, en zijn ontworpen voor geweldig geluid in een klein pakketje. Ze zijn gemaakt met behulp van een typische extrusie 3D-printer, met behulp van PLA-filament. Laten we erop ingaan!

Benodigdheden

Onderdelen en materialen:

• 4x Aura "Cougar" NSW1-205-8A 1" luidsprekerdrivers
• 2x 0,2 mH crossover-inductoren
• 2x 2,4 Ohm "audio grade" weerstanden
• 'Plastic Wood' of soortgelijke houtvuller
• 'Perfect Plastic Putty' of vergelijkbaar vulmiddel
• Spray primer en verf
• superlijm
• RTV siliconenkit of iets dergelijks
• 4x Draadklemmen / aansluitpalen
• Ca. 3-4 voet 18-20 ga geïsoleerde draad
• Vrouwelijke spade-connectoren
• 4x M2x12 machineschroeven
• 4x M2 moeren
• 4x M2-ringen
• Twee kleine stukjes 1/8" - 1/4" dik multiplex of vergelijkbaar stevig karton

Gereedschap:

• 3D-printer en filament naar keuze
• Soldeerbout en soldeer
• Schuurpapier en/of nagelvijlen, diverse korrels van 200-1000
• Draadstrippers / snijders, xacto-mes en een paar andere basisgereedschappen zullen nuttig zijn

Stap 1: Doelen en beperkingen

Of ik het nu weet of niet, als ik iets bouw, begin ik principieel met twee dingen. Doelen en beperkingen. Dus hier zijn ze.

doelen:

• Basextensie zo laag mogelijk. Hopelijk 90 - 100 Hz voordat de bas te zacht begint te worden.
• Acceptabel luistervolume. Er zijn al veel kleine luidsprekers die op alle frequenties geweldig klinken; Dit worden koptelefoons genoemd. Het probleem is dat je ze tegen je hoofd moet plakken. Dat is duidelijk niet wat ik zoek, en ze op afstand luisterbaar maken is iets moeilijker om voor elkaar te krijgen.
• Platte frequentierespons. Probeer grote resonanties, pieken en dalen te elimineren waar de meeste kleine luidsprekers last van hebben.

Beperkingen:

• Maat. De luidsprekers moeten onder mijn computerschermen passen, dus ze mogen niet meer dan ongeveer 10 cm hoog en 5 cm diep zijn. Ik heb vastgesteld dat een inwendig volume van ongeveer 500 ml een goed doel is. Bovendien, omdat ik op mijn universiteit een 3D-printer gebruikte, was ik beperkt tot ongeveer 250 gram printmateriaal.
• Kosten. Ik heb geen miljoen dollar te besteden aan deze luidsprekers, dus geen exotische materialen, gereedschappen of onderdelen.
• Complexiteit. Dit komt enigszins overeen met de kosten, maar ook met mijn vaardigheidsniveau en tijd. Dit beperkt me waarschijnlijk tot een 'fullrange' ontwerp omdat het veel eenvoudiger is dan een 2- of 3-weg ontwerp en geen dure crossover-componenten vereist.
• Esthetisch aantrekkelijk ontwerp. Omdat ik de hele dag naar deze dingen moet kijken.

Stap 2: Bestuurdersselectie

Met doelen en beperkingen in gedachten, is het tijd om…. ga winkelen?

Klopt. Omdat drivers het hart van elke speaker zijn, heb ik eerst een driver gekozen en de rest van de speaker eromheen ontworpen. Omdat ik van plan was hier goed over na te denken, had ik niet alleen drivers nodig die passen, maar ook degelijke specificaties en afmetingen hebben van de fabrikant. Ik zal in een minuut uitleggen waarom deze belangrijk zijn, maar zonder hen wordt mijn luidsprekerontwerp in feite een complete gok.

Dus zocht ik mijn favoriete site om luidsprekercomponenten te kopen, Parts Express, en zocht naar "fullrange" drivers in het 1" - 2" bereik. Ik vond deze, de AuraSound "Cougar" (hier heb ik "Kitten" van afgeleid voor de naam van mijn speakers. Snap je?) die een paar goede eigenschappen hebben.

• Kleine maat. Hoe kleiner hoe beter.
• Goedkoop. Slechts ongeveer $ 10,50 per stuk.
• Uitstekende middentonen en hoge tonen, en een verbazingwekkend lage basrespons voor zo'n kleine driver.
• Goede vermogensafhandeling, dus ik kan ze hopelijk een beetje opkrikken zonder zorgen.

Met deze stuurprogramma's in gedachten was het tijd om het gegevensblad te downloaden en te gaan simuleren.

Stap 3: Luidsprekersimulatie

Met een potentiële kandidaat-driver geselecteerd, had ik een paar stukjes software nodig om simulaties uit te voeren en de effectiviteit van mijn luidsprekerkeuze en behuizingsontwerp te beoordelen. Dus volgde ik een paar stappen om een simulatie te maken van een enkele driver in een basisbehuizing.

Het eerste programma dat ik gebruikte heet SplTrace. Een versie ervan is hier gratis beschikbaar. Dit is een heel eenvoudig klein programma. Om het te gebruiken, heb ik eerst een afbeelding geïmporteerd van de frequentierespons en impedantieresponsgrafieken van mijn gekozen driver. Vervolgens kon ik, door de plots met mijn cursor te volgen, afbeeldingen van de plots omzetten in bestanden die de simulatiesoftware kan gebruiken.

Vervolgens gebruikte ik een programma genaamd Boxsim. De laatste Engelse versie is hier beschikbaar. Ik heb een nieuw project gemaakt en de initiële setup gevolgd. Vervolgens heb ik, verwijzend naar het gegevensblad dat ik voor mijn chauffeur heb gedownload, alle vereiste chauffeursgegevens ingevuld. Onderaan is er de mogelijkheid om frequentie- en impedantieresponsgegevens in te voeren. Dit is waar ik de bestanden heb geladen die ik heb gemaakt met SplTrace. Toen klikte ik door de tabbladen en voegde initiële schattingen toe voor het type behuizing, afmetingen en afstemmingsfrequentie, omdat ik besloot een gepoorte behuizing te gebruiken. Een geventileerde behuizing bood mij twee voordelen. Ten eerste de mogelijkheid om de poort af te stemmen op een lage frequentie, hopelijk de basrespons een beetje verlengen. Ten tweede stelt het de bestuurder in staat om vrijer te bewegen en zou het iets efficiënter moeten zijn in vergelijking met een afgesloten behuizing. Aangezien de ventilatieopening nauwkeurig wordt ontworpen en afgedrukt als een integraal onderdeel van de behuizing, is dit een goed idee.

Nadat alle vereiste informatie correct in Boxsim was ingevoerd, heb ik de enkele driver op de versterker aangesloten onder het menu 'Versterker 1' en toen ik op "Ok" klikte, kreeg ik een interessante grafiek te zien die er ongeveer zo uitziet als de hier getoonde. Succes! Ik had nu een baseline frequentieresponssimulatie om mee te beginnen sleutelen.

Stap 4: Het luidsprekerontwerp ontwikkelen

Toen mijn eerste simulatie klaar was, was het tijd om te begrijpen hoe deze informatie mijn ontwerpkeuzes kon sturen.

Ik krijg een typische frequentieresponsgrafiek te zien, met SPL (luidheid, in dB) op de y-as en frequentie op de x-as. Een perfecte luidspreker zou een rechte lijn over deze grafiek hebben, helemaal van 20 Hz tot 20.000 Hz. Dus mijn doel was nu om alle parameters aan te passen die ik kon om mijn luidspreker zo dicht mogelijk bij deze denkbeeldige ideale luidspreker te brengen.

Daarbij dienden zich meteen twee problemen aan.

De eerste was de significante hobbel in de grafiek boven ongeveer 1000 Hz. Met wat egalisatie en/of een paar analoge filters zou dit een eenvoudig op te lossen probleem kunnen zijn… Als mijn tweede probleem er niet was geweest.

Doorklikken naar de Max. SPL-tabblad Ik zag een soortgelijk uitziende frequentieresponsplot. In tegenstelling tot de andere, toont deze grafiek echter het luidste dat de luidspreker op een bepaalde frequentie kan spelen voordat de maximale vermogenslimiet of de maximale excursielimiet wordt overschreden. Dus zelfs als ik wat egalisatie (finnicky en 'plakt' niet bij' de luidsprekers als ze worden verplaatst) of analoge filtratie (duur, gecompliceerd en omvangrijk) heb gebruikt om de middentonen meer in lijn te krijgen met de bas, zou ik mijn muziek alleen op ongeveer 80 dB op absoluut luidst kunnen spelen. Hoewel 80 dB eigenlijk behoorlijk luid is (denk aan stofzuiger of vuilophaal), moet u er rekening mee houden dat dit de limiet van het vermogen van de luidsprekers zou zijn, wat geen goede plek is om te zijn. Om te voorkomen dat de luidsprekers zichzelf vernietigen of als vervormde rotzooi klinken, wilde ik een behoorlijke hoeveelheid hoofdruimte voordat ze hun grenzen zouden bereiken. De enige manier om daar te komen was door een andere (vrijwel zeker grotere) bestuurder te kiezen of te verdubbelen.

Stap 5: Afronden van het luidsprekerontwerp

Dus, zoals je zeker hebt gemerkt aan het begin van deze Instructable, heb ik ervoor gekozen om te verdubbelen. In vergelijking met de beschikbare 2 -drivers op Parts Express, zouden twee hiervan evenveel of meer prestaties moeten leveren voor de prijs. En, om eerlijk te zijn, ik vond het uiterlijk van twee gestapelde drivers mooi. Esthetiek is ook belangrijk:)

Het toevoegen van een dubbele driver in Boxsim was vrij eenvoudig. Ik maakte een nieuw project in Boxsim, kopieerde de driver bij de eerste installatie en gebruikte de instellingen voor "gemeenschappelijke buitenbehuizing" om de behuizing en het schot te definiëren. Toen dat klaar was, zagen de resultaten er veel veelbelovender uit. Ik had nu 5-10 dB extra hoofdruimte en een vloeiendere algemene curve. Ik speelde wat rond met het volume van de behuizing, de afstemfrequentie en de vulling totdat ik een combinatie vond die ik echt leuk vond op 0,45 liter, 125 Hz en 'licht gevuld'.

Terwijl ik deze aan het ontwerpen was, leerde ik over een fenomeen dat baffle step wordt genoemd, ook wel diffractieverlies genoemd, dat blijkbaar een belangrijke overweging is voor de meeste luidsprekers van hoge kwaliteit. In wezen, wanneer geluidsgolven uit een luidspreker komen, proberen ze in alle richtingen uit te stralen. Ook achter de luidspreker. Omdat hoogfrequente geluiden een zeer korte golflengte hebben, kaatsen ze terug op de voorkant van de luidsprekerbox en worden ze teruggeschoten naar de luisteraar. Maar geluiden met een lagere frequentie, met hun veel langere golflengten, zullen gemakkelijk rond de luidsprekerbehuizing buigen. Zo lijken hoogfrequente geluiden een beetje luider voor de luisteraar. Gelukkig is dit eenvoudig op te lossen met slechts één weerstand en spoel. Deze online calculator vertelt je de waarden die je nodig hebt, gegeven een paar invoer. Van daaruit kon ik mijn baffle-stapcorrectiecircuit toevoegen aan het crossover-gedeelte van mijn gesimuleerde versterker en de nieuwe resultaten bekijken. Ik speelde een beetje met de rekenmachine totdat ik een antwoord kreeg dat ik leuk vond met componentwaarden die beschikbaar waren bij Parts Express.

Op dit punt is het belangrijk dat ik eerlijk ben en zeg dat, nou ja, ik heb een beetje vals gespeeld.:(Maar hier is hoe ik vals speelde en waarom, in dit geval, het oké is.

Doordat ik deze zelf heb gebouwd, wist ik precies waar en hoe ze gebruikt gaan worden. Dit leverde me een beetje kennis op die ik in mijn voordeel kon gebruiken. Beide luidsprekers staan op mijn bureau, met de rug tegen een grote muur en onder twee grote, platte computermonitoren. Je zou kunnen zien waar dit naartoe gaat. Deze platte oppervlakken zullen een beetje werken als een groot oud schot, en de bas versterken op manieren die Boxsim niet weet. Dus ik vertelde Boxsim een leugentje om bestwil en deed alsof mijn schotten eigenlijk 100 cm lang en breed zijn. Sorry niet sorry, Boxsim. Meer een kunst dan een wetenschap denk ik:)

Omdat ik dit deed, was het echter belangrijk om in gedachten te houden dat de echte resultaten waarschijnlijk ergens tussen de simulaties van het "kleine schot" en het "grote schot" zouden liggen.

Stap 6: Behuizing en montageontwerp (CAD)

Eerste prijs in de First Time Author-wedstrijd