Tiny* High-Fidelity Desktop-högtalare (3D-tryckta): 11 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Jag tillbringar mycket tid vid mitt skrivbord. Detta brukade betyda att jag spenderade mycket tid på att lyssna på min musik genom de fruktansvärda tunna högtalarna inbyggda i mina datorskärmar. Oacceptabel! Jag ville ha riktigt stereoljud av hög kvalitet i ett attraktivt paket som skulle passa under bildskärmarna på mitt lilla skrivbord. Typiska "datahögtalare" är alltid en nedsläppning, så jag bestämde mig för att tillämpa några grundläggande högtalarutformningar och tekniska principer för att bygga ett par kompromisslösa (okej, mer som lågkompromissa) högtalare som, för sin storlek, kommer att imponera på någon ljudfil.

Vi presenterar det nyaste tillskottet till min HiFi-familj, "Kitten" Nano-HiFi Desktop-högtalare. (Tar nu emot bidrag för bättre namn)

Dessa högtalare är cirka 10,8 cm långa, 7 cm breda och 11,4 cm djupa inklusive bindestolparna och är utformade för bra ljud i ett litet paket. De är gjorda med en typisk extruderad 3D -skrivare, med PLA -filament. Låt oss gå in i det!

Tillbehör

Delar och material:

• 4x Aura "Cougar" NSW1-205-8A 1 "högtalardrivrutiner
• 2x 0,2 mH delningsinduktorer
• 2x 2,4 Ohm "audio grade" -motstånd
• 'Plastic Wood' eller liknande träfyllmedel
• 'Perfect Plastic Putty' eller liknande fyllmedel
• Spraya primer och måla
• superlim
• RTV silikon tätningsmedel eller liknande
• 4x trådterminaler / bindande stolpar
• Cirka. 3-4 fot 18-20 ga isolerad tråd
• Kvinnliga spadekontakter
• 4x M2x12 maskinskruvar
• 4x M2 muttrar
• 4x M2 brickor
• Två små bitar av 1/8 " - 1/4" tjock plywood eller liknande robust bräda

Verktyg:

• Valfri 3D -skrivare och filament
• Lödkolv och löd
• Sandpapper och/eller spikfil, olika korn från 200-1000
• Wire strippers/cutters, xacto kniv och några andra grundläggande verktyg kommer att vara till hjälp

Steg 1: Mål och begränsningar

Oavsett om jag vet det eller inte, när jag bygger något börjar jag i grunden med två saker. Mål och begränsningar. Så här är de.

Mål:

• Basförlängning så låg som möjligt. Förhoppningsvis 90 - 100 Hz innan basen börjar bli för tyst.
• Godkänd lyssningsvolym. Det finns redan massor av små högtalare som låter bra vid alla frekvenser; Dessa kallas hörlurar. Problemet är att du måste hålla dem på huvudet. Det är uppenbarligen inte det jag är ute efter, och att få dem att lyssna på avstånd är lite svårare att dra av.
• Platt frekvensrespons. Försök att eliminera stora resonanser, toppar och dalar som de flesta små högtalare lider av.

Begränsningar:

• Storlek. Högtalarna måste passa under mina datorskärmar, så de kan inte vara mer än cirka 4 tum långa och 5 tum djupa. Jag bestämde att en intern volym på cirka 500 ml är ett bra mål. Eftersom jag använde en 3D -skrivare på mitt universitet var jag dessutom begränsad till cirka 250 gram tryckmaterial.
• Kosta. Jag har inte en miljon dollar att spendera på dessa högtalare, så inga exotiska material, verktyg eller delar.
• Komplexitet. Detta överensstämmer något med kostnaden, men också min skicklighetsnivå och tid. Detta begränsar mig förmodligen till en 'fullrange' design eftersom den är mycket enklare än en 2- eller 3-vägs design och inte kräver dyra delningsdelar.
• Estetiskt tilltalande design. För jag måste titta på dessa saker hela dagen.

Steg 2: Urval av förare

Med mål och begränsningar i åtanke är det dags att…. gå och handla?

Det är rätt. Eftersom förare är hjärtat i alla högtalare valde jag först en drivrutin och utformade resten av högtalaren runt den. Eftersom jag planerade att fundera lite på dessa, behövde jag inte bara drivrutiner som passade, utan också anständiga specifikationer och mått från tillverkaren. Jag kommer att gå in på varför dessa är viktiga på en minut, men utan dem blir min högtalardesign i princip en komplett gissning.

Så jag drog upp min favoritsajt för att köpa högtalarkomponenter, Parts Express, och letade efter "fullrange" -drivrutiner i intervallet 1 " - 2". Jag hittade dessa, AuraSound "Cougar" (det är här jag härledde "Kitten" från namnet på mina högtalare. Få det?) Som har några bra egenskaper.

• Liten storlek. Ju mindre desto bättre.
• Billig. Endast ca $ 10,50 styck.
• Utmärkt mellanregister och diskantprestanda och otroligt låg basrespons för en så liten förare.
• Bra effekthantering, så jag kan förhoppningsvis skruva upp dem lite utan oro.

Med dessa drivrutiner i åtanke var det dags att ladda ner databladet och simulera.

Steg 3: Högtalarsimulering

Med en potentiell förarkandidat vald, behövde jag ett par bitar programvara för att köra simuleringar och bedöma effektiviteten av mitt högtalarval och kapslingsdesign. Så jag följde några steg för att skapa en simulering av en enda drivrutin i ett grundläggande hölje.

Det första programmet jag använde heter SplTrace. En version av den finns gratis här. Detta är ett mycket enkelt litet program. För att använda det importerade jag först en bild av frekvenssvaret och impedansresponsgraferna för min valda drivrutin. Sedan, genom att spåra tomterna med min markör, kunde jag konvertera bilder av tomterna till filer som simuleringsprogrammet kan använda.

Därefter använde jag ett program som heter Boxsim. Den senaste engelska versionen finns här. Jag skapade ett nytt projekt och följde med den första installationen. Sedan, med hänvisning till databladet jag laddade ner för min drivrutin, fyllde jag i alla nödvändiga förardata. Längst ner finns alternativet att mata in frekvens- och impedensresponsdata. Det är här jag laddade in de filer som jag skapade med SplTrace. Sedan klickade jag igenom flikarna och lade till initiala uppskattningar för kapslingstyp, dimensioner och inställningsfrekvens, eftersom jag bestämde mig för att använda en portad kapsling. Ett ventilerat hölje gav mig två fördelar. Först möjligheten att ställa in porten för en låg frekvens, förhoppningsvis förlänga basresponsen lite. För det andra gör det att föraren kan röra sig mer fritt och borde vara lite mer effektivt jämfört med ett förseglat hölje. Med tanke på att ventilen kommer att vara exakt utformad och utskriven som en integrerad del av höljet, är det ingen idé.

Med all nödvändig information korrekt in i Boxsim kopplade jag den enda drivrutinen till förstärkaren under menyn 'Förstärkare 1' och när jag slog "Ok" fick jag en intressant graf som ser ut ungefär som den som visas här. Framgång! Jag hade nu en baslinjefrekvensresponssimulering att börja pyssla med.

Steg 4: Utveckla högtalardesignen

När min första simulering var klar var det dags att förstå hur denna information kunde vägleda mina designval.

Jag presenteras med en typisk frekvensresponsplot, med SPL (ljudstyrka, i dB) på y-axeln och frekvens på x-axeln. En perfekt högtalare skulle ha en rak linje över denna graf, hela vägen från 20 Hz till 20 000 Hz. Således var mitt mål nu att finjustera alla parametrar jag kunde för att min högtalare skulle vara så nära denna imaginära idealhögtalare som möjligt.

Med det visade sig två problem omedelbart.

Först var den betydande bumpen i grafen ovan cirka 1000 Hz. Med viss utjämning och/eller några analoga filter kan detta vara ett enkelt problem att lösa … Om det inte vore för mitt andra problem.

Klicka över till max. SPL -flik Jag såg en liknande frekvensresponsdiagram. Men till skillnad från den andra visar denna plot det högsta som högtalaren kan spela vid en given frekvens innan den antingen överskrider sin maximala effektgräns eller maximala utflyktsgräns. Således, även om jag använde en viss utjämning (finnicky och inte "hänger med" högtalarna om de flyttas runt) eller analog filtrering (dyr, komplicerad och skrymmande) för att få mitten att diskant mer i linje med basen, Jag skulle bara kunna spela min musik på cirka 80 dB på det absolut högsta. Medan 80 dB faktiskt är ganska högt (tänk på dammsugare eller skräpavfall), kom ihåg att detta skulle ligga vid gränsen för högtalarnas förmåga, vilket inte är ett bra ställe att vara på. För att hindra högtalarna från att förstöra sig själv eller låta som förvrängt skräp, ville jag ha en bra takhöjd innan de hade nått sina gränser. Det enda sättet att ta sig dit var att antingen välja en annan (nästan säkert större) förare eller dubbla ner.

Steg 5: Slutföra designen av högtalare

Så, som du säkert märkte i början av denna instruerbara, valde jag att dubbla ner. I jämförelse med de tillgängliga 2 drivrutinerna på Parts Express borde två av dessa ge lika mycket eller mer prestanda för priset. Och för att vara ärlig så gillade jag utseendet på två staplade förare. Estetik spelar också roll:)

Att lägga till en duplicerad drivrutin i Boxsim var ganska enkelt. Jag gjorde ett nytt projekt i Boxsim, kopierade drivrutinen vid första installationen och använde inställningarna för "vanligt yttre hus" för att definiera höljet och baffeln. Med det gjort såg resultaten mycket mer lovande ut. Jag hade nu 5-10 dB extra takhöjd och en mjukare övergripande kurva. Jag lurade med kapslingsvolymen, inställningsfrekvensen och fyllningen tills jag hittade en kombination som jag verkligen gillade på 0,45 liter, 125 Hz och "lätt fylld".

Under arbetet med att designa dessa lärde jag mig om ett fenomen som kallas baffle step, aka diffraktionsförlust som tydligen är en viktig faktor för de flesta högkvalitativa högtalare. När ljudvågor kommer från en högtalare försöker de i huvudsak stråla ut i alla riktningar. Inklusive bakom högtalaren. Eftersom högfrekventa ljud har en mycket kort våglängd studsar de av högtalarlådans främre yta och skjuts tillbaka mot lyssnaren. Men ljud med lägre frekvens, med sina mycket längre våglängder, kommer lätt att böja sig runt högtalarhöljet. Högfrekventa ljud verkar alltså vara lite högre för lyssnaren. Lyckligtvis fixas detta enkelt med bara ett motstånd och en induktor. Denna onlinekalkylator kommer att berätta vilka värden du behöver med några inmatningar. Därifrån kunde jag lägga till min baffelstegskorrigeringskrets i crossover -sektionen på min simulerade förstärkare och se de nya resultaten. Jag busade lite med miniräknaren tills jag fick ett svar jag gillade med komponentvärden som var tillgängliga från Parts Express.

Vid denna tidpunkt är det viktigt att jag kommer ren och säger att, ja, jag lurade lite.: (Men så här lurade jag och varför det i det här fallet är ok.

Tack vare att jag byggde dessa själv visste jag exakt var och hur de kommer att användas. Detta gav mig lite kunskap som jag kunde använda till min fördel. Båda högtalarna kommer att ligga på mitt skrivbord, baksida upp mot en stor vägg och under två stora, platta datorskärmar. Du kanske ser vart detta tar vägen. Dessa plana ytor kommer att fungera lite som en stor baffle, vilket ökar basen på ett sätt som Boxsim inte kan veta om. Så jag sa till Boxsim en liten vit lögn och låtsades att mina bafflar faktiskt är 100 cm långa och breda. Förlåt inte förlåt, Boxsim. Mer av en konst än en vetenskap antar jag:)

Men eftersom jag gjorde detta var det viktigt att komma ihåg att resultaten från det verkliga livet förmodligen faktiskt skulle ligga någonstans mitt emellan "små baffel" och "enorma baffel" simuleringar.

Steg 6: Kapsling och monteringsdesign (CAD)

Första pris i författartävlingen för första gången