Hoparlör ızgarasının akustik davranışa etkisinin incelenmesi
Investigation of the acoustic effect of the loudspeaker grille
Yazar: ALİ BEKİR KILIÇKAYA
Danışman: PROF. DR. HALUK EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hoparlörler elektrik enerjisini sese dönüştürerek çalışan cihazlardır. Günümüzde akıllı elektronik cihazların çoğu, sesi oluşturabilmek için bünyesinde hoparlör bulundurmaktadır. Hoparlör ızgaraları bir taraftan sesin kendi üzerinden geçmesine izin verirken, bir taraftan da hoparlör bileşenlerini korumak amacıyla kullanılmaktadır. Hoparlör ızgaraları çoğu tüketici elektroniğinde hoparlörlerin önünde bulunduğundan, estetik açıdan da önem arz etmektedir.
Hoparlör ızgaraları, tasarımlarına bağlı olarak yüksek frekanslı sesler üzerinde önemli değişiklikler oluşturabilmektedir. Hoparlöre ızgara eklenmesiyle birlikte, ızgara ile hoparlör diyaframı arasında kalan hacimde sesin önemli yansıma ve kırınımları oluşmaktadır. Bu da özellikle yüksek frekanslarda dalga boyunun küçülmesiyle, ızgaranın yüksek frekanslarda seste oluşturacağı etkinin anlaşılmasını zorlaştırmaktadır. Izgara estetik görünümünün ve akustik geçirgenliğinin mekanik tasarım ile optimize edilebilmesi için, hoparlör ızgarasının ses üzerindeki etkisinin doğru bir şekilde tahmin edilmesi önem kazanmaktadır.
Literatürde hoparlör üzerine ızgara eklenmesiyle seste oluşan değişimi yüksek tutarlılıkla tahmin edebilen sayısal çalışmalar mevcuttur. Çalışmalarda ızgara deliklerinin boyutları artırıldığında ses geçirgenliğinin iyileştiği sonucuna ulaşılmıştır. Ancak ızgara delik boyutları büyütülürken her bir delik için kesit alanı genişletildiğinde, ızgara delik/yüzey alanı da artarak sesin aktarılabileceği alanda artış olmaktadır. Bu tez çalışmasında homojen delik dağılımına sahip ızgaranın, hoparlör diyafram alanına izdüşümünde delik/yüzey oranı eşit seçilip, farklı delik tipleri ve delik büyüklüklerinin ses geçirgenliğine olan etkilerinin daha tutarlı olarak karşılaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca literatürdeki hoparlör ızgara çalışmalarında altıgen ve daire tipi delikler kullanılmışken, bu tez çalışmasında daire, kare ve delik boyunca kesit alanı sabit olmayan kavisli, genişleyen ve daralan tip ızgara modelleri farklı kalınlıklarda karşılaştırılmıştır. Ayrıca daire, kare ve kavisli delikler için ana delikler eş alana sahip olacak şekilde ayarlanarak, delik tiplerinin efektif şekilde karşılaştırılması hedeflenmiştir.
Buna yönelik olarak, yüksek frekans üreten hoparlör (tweeter) önüne yerleştirilen ızgaranın frekans tepkisi üzerindeki etkisini tahmin etmek için bir bilgisayar simülasyonu yapılmıştır. Izgara kalınlığının ve ızgara delik şekil ve boyutlarının sese olan etkisini anlayabilmek için, farklı kalınlık ve delik tiplerine sahip ızgaralar modellenmiştir. Izgarasız hoparlör frekans cevabı referans alınarak, ızgaraların frekans cevabı üzerinde oluşturduğu değişimler karşılaştırmalı olarak grafik ve istatistiksel araçlarla gösterilmiştir.
Sayısal çalışmalarla hoparlör ızgarasının frekans tepkisindeki değişim sonuçlarını doğrulamak için deneysel çalışma yapılmıştır. Bu amaçla sayısal modeldeki hoparlör ve ızgaralar referans alınıp, eklemeli imalat yöntemiyle farklı kalınlıkta ve delik tipinde ızgaralar üretilmiştir. Oluşturulan deney düzeneği ile elde edilen deneysel sonuçlar sayısal sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Deneysel sonuçlar ile sayısal sonuçların genel olarak uyumlu olduğu görülmüştür.
Yüksek (15 kHz ve üzeri) frekans değerlerinde farklılıklar görülmüşse de, oluşan bu sapma değerleri literatürde yer alan diğer çalışmalara benzer seviyededir. Elde edilen sonuçlara göre hoparlör ızgaralarında kalınlık artışı frekans cevabında pozitif ve negatif sapmalara neden olmakta ve hoparlör yönelimini de olumsuz etkilemektedir. Mümkün olan en ince kalınlıklı ızgara modellerinin tercih edilmesi ses kalitesi açısından en avantajlı durumu oluşturacaktır.
Homojen delik dağılımına sahip ve efektif delik kesit alanının sabit olduğu ızgaralarda, delik boyutu değişiminin, frekans-ses basınç seviyesine etkisi arasında anlamlı bir ilişki bulunamamıştır. Genişleyen, daralan ve kavisli (hiperboloidal) delik tiplerine sahip ızgaralar kendi arasında mukayese edildiğinde; daralan tiplerdeki ızgaraların diğerlerine göre daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Ses yutumunun daha çok istendiği alanlarda kavisli delik tipine sahip ızgaraların tercih edilmesi daha avantajlı olabilir. Kesit çapı değişen ve kesit çapı sabit delikler arasında bir seçim yapılmak istendiğinde, ızgara delik hacmini artıracak şekilde bir seçim yapmak ses geçirgenliği açısından avantaj sağlayabilir.
Son olarak, homojen delik dağılımına sahip olan ızgaralarla, faz tıpasına benzerlik gösteren ızgara sonuçları sayısal model ile karşılaştırılmıştır. Açıklık oranı sabit tutulan (%50) ve aynı kalınlıktaki modellerden faz tıpasına benzeyen ızgara tiplerinin ses geçirme performansını iyileştirdiği görülmüştür.

Abstract:
Speakers are devices that convert electrical energy into sound waves. Nowadays, most smart electronic devices have built-in speakers for sound production. Speaker grilles allow sound to pass through itself while protecting speaker components. Since speaker grilles are typically located in front of speakers in most consumer electronics, they also hold aesthetic importance.
Depending on their designs, speaker grilles can introduce significant changes in high-frequency sounds. The addition of a grille can cause important reflections and diffractions in the volume between the grille and the speaker diaphragm. Especially when multiplies of quarter of the wavelengths (λ/4) fit into this volüme, because of the resonance and anti-resonance conditions, suboptimal grille design could cause create positive and negative deviations in the ferquency response of the loudspeaker. These deviations can deteriorate the perceived sound quality from the loudspeaker.
Especially when multiples of a quarter of the wavelengths (λ/4) fit into this volume, suboptimal grille design can create positive and negative deviations in the frequency response of the loudspeaker due to resonance and anti-resonance conditions. These deviations can significantly degrade the perceived sound quality from the loudspeaker.
Predicting the effect of the grille on high-frequency sounds can be challenging due to the shorter wavelengths associated with higher frequencies. Predicting the effect of the speaker grille effect accurately becomes crucial for optimizing both the aesthetic and acoustic transparency of the grille through mechanical design.
In the literature, there are studies which predicts the changes in the sound caused by the grille. These studies have found that increasing the size of grille holes improves sound transparency. However, as grille hole sizes increase and the cross-sectional area for each hole is expanded, the grille hole to surface area ratio also increases, leading to an increase in the space where sound can be transmitted. In this thesis, hole to surface area ratio is selected equally for comparative analysis. With this ratio, projection to the speaker diaphragm area will be kept constant. The first hole on the grille was positioned at the center of the grille, with the holes linearly arranged on the grille. For all hole types within the effective open area, the hole/grille ratio on the grille surfaces was set at 50%. In grilles with varying cross-sectional hole types, the hole/grille ratio was set at 50% on the surface with the larger holes (30% on the surface with the smaller holes). By maintaining this ratio, the study aimed to consistently compare the effects of different hole types and sizes on sound transmission.
Additionally, while hexagonal and circular holes were commonly used in previous loudspeaker grille studies, this thesis compares circular, square, and hole patterns with varying cross-sectional areas, including curved, expanding, and narrowing grille models. Furthermore, the primary holes for circular, square, and curved holes are adjusted to have equal areas, aiming for an effective comparison of hole types.
To achieve this, a computer simulation is conducted to predict the effect of placing a grille in front of a high-frequency producing tweeter speaker. Various grille models with different thicknesses, hole shapes, and sizes were modeled to understand the effect of grille thickness and hole variations on sound permeability. For this purpose, a tweeter-type speaker and grille used in real life were first created using a 3D modeling program. The created 3D geometries were transferred to the finite element numerical analysis program. The transferred geometry was revised within the finite element package program to be suitable for analysis. To achieve this, initially the grille and speaker geometry were extracted from a volumetric solid model. The resulting volume represents the air space in the model. Then, a larger solid volume geometry was created to encompass the model. This created volume geometry was used as a perfectly matched layer (PML).
Different boundary conditions were defined on the surfaces of the remaining geometry. A finite element mesh was created in the obtained air volume, and the sound pressure level at specific points, caused by the vibration of the diaphragm, was obtained for different frequencies. This process was repeated for different grille models, and the results were compared.
Comparative changes in the frequency response caused by different thicknesses and hole types of grilles were graphically and statistically presented. For ease of understanding, frequency response of the speaker without a grille as a reference and only the deviations caused by the addition of grilles are shown. The loudspeaker grille with the least deviation is accepted as having higher sound transparency.
Experimental work is conducted in order to validate the frequency response results of the numerical simulation study. For this purpose, grilles with different thicknesses and hole types were produced using an additive manufacturing method based on the reference speaker and grilles in the numerical model. The details about the measurement condition, equipment, measurement program and selected parameters are given within this study.
Experimental results are then compared with numerical results, showing a generally consistent agreement between experimental and numerical results. In the experimental and numerical result comparisons, mild differences are seen at high frequencies, mainly 15 kHz and above. These deviations are found to be at a similar level compared to other studies in the literature.
According to the results obtained from simulation and experiments, increase in grille thickness causes both positive and negative deviations in the frequency response and adversely affects the speaker's directivity. Opting for grille models with the smallest possible thickness would create the most advantageous situation in terms of sound quality.
As the effective hole cross-sectional area is kept constant, no significant relationship was found between hole size variation and frequency-sound pressure level. When the grilles with fixed cross-sections, it is observed that circular and square grilles cause similar amount of deviation. When choosing between the two, the circular grille may be preferred because it is slightly more advantagous in the higher frequency range. hen the grilles with expanding, shrinking, and curved (hyperboloidal) hole types were compared among themselves, it was observed that the grilles with shrinking types performed better than the others. In areas where more sound absorption is desired, it may be more advantageous to prefer grilles with curved hole types.
When choosing between holes with varying cross-section and fixed cross-sections, selecting in a way that increases the grille hole volume may be advantageous for sound permeability.
Furthermore, in the numerical model, grilles with a uniform hole distribution are compared with grilles resembling phase plugs. While hole to grille surface ratio (50%) and thickness are kept constant, grilles resembling phase plugs shows better sound transmission performance.
In future studies, a turntable could be preferred over a fixed platform for speaker angle measurements. This would allow measurement points to be positioned more precisely and repeatably. Additonally, If an impedance tube capable of determining the sound absorption coefficient for the 2 kHz-20 kHz frequency range used in this study is obtained, improvements can be made in numerical modeling.