В это короткой информационной статье мы рассмотрим основные технические характеристики динамиков, которые необходимо знать при выборе автомобильной акустики или при изготовлении автомобильной акустики своими руками.
На картинке ниже показаны основные компоненты типичного звукового динамика:
Рассмотрим какими особенностями должны обладать хорошие звуковые динамики для автомобильной акустики.
Мощный динамик будет снабжен двумя раздельными звуковыми катушками, намотанными на одном и том же каркасе. Каждая катушка может быть подключена к отдельному каналу на стереоусилителе или они могут быть подключены последовательно или параллельно и запитаны от одного источника. Один DVC-динамик может быть использован вместо двух обычных динамиков тогда, когда свободное пространство в большой цене.
Фильтры
Фильтр — это электронная схема в устройстве аудиосистемы, которая позволяет определенным частот проходить одновременно, блокируя другие. Активные фильтры содержат компоненты, требующие дополнительного питания. Это, так называемые, операционные усилители (ОУ) и, как правило, они встраиваются перед главным усилителем. Пассивные фильтры не содержат компоненты требующих питания и обычно встраиваются между усилителем и динамиком.
Виды фильтров, которые обычно используются в конструкциях аудиосистем:
- Фильтры низких частот: пропускают нижние частоты, ослабляют высокие частоты.
- Фильтры высоких частот: высокие частоты пропускает, ослабляет низкие частоты.
- Регулируемые полосы пропускания: когда частоты за пределами определенного диапазона ослабляются.
Изобарная система динамиков
Название происходит от древнегреческого ἴσος — «одинаковый» и βάρος «тяжесть». Другими словами — распределенная нагрузка. Это метод с использованием двух динамиков, работающих в тандеме для достижения меньшего размера корпуса с учетом требований дизайна. Теоретически VAS (Эквивалентный объем динамика) в двойной системе будет вдвое меньше чем у двух отдельных динамиков, в результате чего расчетный размер корпуса также уменьшается вдвое. Чувствительность изобарной системы будет та же, что и у системы в один динамик, но вы потеряете в мощности SPL. Крепление по типу «Раскладушка», где динамики устанавливаются лицом к лицу и один динамик подсоединяется в противофазе к другому, похоже самая популярная изобарная система, используемая сегодня, так как она является самой простой в изготовлении.
Wife Acceptance Factor (WAF) — фактор одобрения женой
В общем случае, относится к элементам дизайна, которые повышают вероятность того, что ваша жена одобрит покупку дорогих продуктов потребительской электроники, таких как высококачественные акустические системы, домашние кинотеатры и персональные компьютеры и т.д. Стильные, компактные формы и привлекательные цвета, как правило, повышают уровень WAF. Термин является шутливым жаргонным сленгом в электронике и обозначает «Форм-фактор» и «Привлекательность форм» и происходит от гендерного стереотипа, что мужчины предрасположены ценить технические новинки по критериям эффективности, тогда как женщин привлекают визуальные и эстетические факторы. Другими словами, грубое измерение того, что вы можете вернуться домой к вашей благоверной и она не поднимет шума по поводу внешнего вида вашего приобретения.
Сабвуфер
Динамик предназначенный для воспроизведения низких звуковых частот на адекватной громкости. Большинство сабвуферов, или «сабов», как они обычно называются, предназначены для работы от 80 Гц и ниже до уровня где человеческое ухо может улавливать звуки. Бас-единицы небольших трех компонентных системы тоже обычно называют «сабвуферы», однако они зачастую имеют ограниченные возможности воспроизведения частот ниже 50 Гц или около того.
T/S (Тиэля Смолла) параметры
Свод терминов/параметров, обычно используемых в описании характеристик конкретного динамика. Наиболее распространенным T/S параметры с которыми мы сталкиваемся являются:
|
Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить сабвуфер являются:
- Резонансная частота динамика Fs (Герц)
- Эквивалентный объем Vas (литров или кубических футов)
- Полная добротность Qts
- Сопротивление постоянному току Re (Ом)
Для более серьезного подхода понадобится еще знать:
- Механическую добротность Qms
- Электрическую добротность Qes
- Площадь диффузора Sd (м2) или его диаметр Dia (см)
- Чувствительность SPL (dB)
- Индуктивность Le (Генри)
- Импеданс Z (Ом)
- Пиковую мощность Pe (Ватт)
- Массу подвижной системы Mms (г)
- Относительную жесткость Cms (метров/ньютон)
- Механическое сопротивление Rms (кг/сек)
- Двигательную мощность BL
Большинство этих параметров может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень. Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу. Автор этого "труда" не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников - как иностранных, так и российских.
Измерение Re, Fs, Fc, Qes, Qms, Qts, Qtc, Vas, Cms, Sd.
Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:
- Вольтметр
- Генератор сигналов звуковой частоты
- Частотомер
- Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
- Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
- Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.
Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение, способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности.
Схема для измерений
Калибровка:
Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в омах. Например для калибровочного сопротивления 4 ома напряжение должно быть 0.004 вольта. Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.
Нахождение Re
Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re можно замерить и непосредственно омметром.
Нахождение Fs и Rmax
Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.
Эти параметры находятся по следующим формулам:
Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2. Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две - одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:
Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно.
Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:
- Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
- Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
- Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - Vas, Sd, Cms и L.
Это так называемая эффективная излучающая поверхность диффузора. Для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна:
Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.
Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц. Поскольку реактивная составляющая (XL) отстоит от активной Re на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:
Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и Re (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:
Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:
Измерения Vas
Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: метод "добавочной массы" и метод "добавочного объема". Первый из них требует из материалов несколько грузиков известного веса. Можно использовать набор грузиков от аптечных весов или воспользоваться старыми медными монетками 1,2,3 и 5 копеек, поскольку вес такой монетки в граммах соответствует номиналу. Второй метод требует наличия герметичного ящика заранее известного объема с соответствующим отверстием под динамик.
Нахождение Vas методом добавочной массы
Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками и вновь измерить его резонансную частоту, записав ее как F"s. Она должна быть ниже, чем Fs. Лучше если новая резонансная частота будет меньше на 30%-50%. Масса грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12" головки нужен груз массой около 120 граммов.
Мы ещё в прошлый раз собирались воспользоваться цифрами, сопровождающими динамики, но остановились на время, чтобы понять, откуда они взялись. А теперь, поскольку поняли, можно и пользоваться.Мы ещё в прошлый раз собирались воспользоваться цифрами, сопровождающими динамики, но остановились на время, чтобы понять, откуда они взялись. А теперь, поскольку поняли, можно и пользоваться.
ЗАДАДИМ СЕБЕ ВОПРОС. ПОЧЕМУ ЭТО МЫ, БОРЦЫ за автомобильный звук, так озабочены параметрами динамиков, а те, кому ближе звук домашний, об этом говорят очень мало. Или совсем не говорят. В том ли дело, что в автозвуке пустил гораздо более прочные корни естественно-научный подход к электроакустике, а в домашнем хай-фае-хай-энде - скорее чувственный? Отчасти да, но это не главное. Главнее то, что в домашнем звуке этого всего можно не знать. Есть такая возможность. Причин для этого как минимум две.
ПРИЧИНА ПЕРВАЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯСуть её в том, что домашняя акустика приходит к владельцу в завершённом виде. Параметры заложенных в неё компонентов в большинстве случаев нельзя не то что изменить, а даже узнать без полной разборки готового, красивого и дорогого изделия. А кто и, главное, зачем это будет делать? Исключения бывают, но раз на тысячу или реже. Оттого так популярны в домашнем звуке игры с проводами: больше-то ничего изменить нельзя. И ценовой гипноз: стоит акустика тыщу - значит, должна сыграть на тыщу, а эта, за пять сотен, как она на тыщу может сыграть? У нас всё по-другому.
То, что для нас готовое изделие, в домашнем звуке означало бы радиодеталь. Да и для нас, строго говоря, динамик не готовое изделие, конечный продукт - это система в машине, но готовыми системами не торгуют (заводские не в счёт, сами знаете почему).
Если бы торговали готовыми аудиосистемами, мы бы тоже могли позволить себе роскошь ничего не знать о параметрах динамиков, туда установленных. Садись и слушай, кому положено, всё уже учёл. Но нам в обмен на деньги выдают динамик, который сам по себе никак не звучит, даже если его к чему-нибудь подключить. Как понять, чего от него ожидать, подходит ли он, а если подходит - то для чего, в смысле, что для него надо сделать, чтобы он раскрыл свои возможности?
Пока, напомним, мы говорим только о работе динамиков на низких частотах. В своё время будем заходить и выше по частоте, но значительная часть технических решений, которые приходится принимать при выборе динамических головок, связана именно с их работой в басовом регистре. И почти вся теория, на основе которой, не прибегая к эксперименту, можно спрогнозировать поведение акустики, тоже выведена для низких частот. А мы именно к этому стремимся - понять, как будет работать динамик до того, как стали его хозяином.
На низких частотах в машине, в общем случае, работают два типа акустики. Фронтальные мидбасы (или басовики трёхполосной системы, здесь не важно) и сабвуфер. Подход к прогнозу и расчёту для этих типов акустики принципиально разный. Большинство сабвуферных головок предназначены для установки в то или иное сознательно построенное акустическое оформление. Его характеристики выбираются так, чтобы вместе с «врождёнными» параметрами динамика дать требуемые итоговые значения резонансной частоты и добротности, которые и определят форму АЧХ в машине, многие другие характеристики и в итоге - характер звучания. Исключение составляют сабвуферы, предназначенные для работы в акустическом экране (более популярным стало название free air). Для них объём ящика, куда они установлены, - это объём багажника, который всегда настолько велик, что никак не сказывается на итоговых значениях параметров динамика в оформлении. Динамик перестаёт «чувствовать» действие объёма ящика, в который он установлен, когда этот объём в 5 раз больше эквивалентного объёма динамика Vas. «Перестаёт чувствовать» означает, что резонансная частота и полная добротность изменяются не более чем на 10%. Типичные значения Vas для 12-дюймовых, например, головок, крайне редко превышают 80 л, следовательно, типовой багажник для них - это уже безграничный простор. Это если считать багажник действительно закрытым ящиком, которым он, в сущности, не является, но об этом чуть позже, в другом контексте. Поэтому для сабвуферных головок параметры Тиля - Смолла - это совсем уже «информационное сырьё», до поры до времени никак не означающее характеристики готового изделия.
Совсем иная ситуация с мидбасовыми компонентами фронтальной акустики, отрабатывающими значительную часть басового материала. Типовая схема установки фронтальных мидбасов - в дверь. Формально дверь - тот же закрытый ящик объёмом 30 - 50 л (крайние случаи). Типичные значения Vas компонентных мидбасов (или коаксиалов такого же калибра) таковы: 90% 5-дюймовых головок попадают с этим параметром в коридор 6 - 10 л, для 6-дюймовых это 8 - 15 л. То есть получается, в принципе, что объём двери где-то на границе просторного закрытого ящика и бесконечного экрана. Это - говоря формально. На самом деле дверь - это никакой не ящик. Судите сами: если бы нечто, отштампованное из листа толщиной 0,6 мм, без каких-либо существенных элементов жёсткости обшивки, с многочисленными прорехами (для дверных ручек, ограничителя хода, опускного стекла, слива воды и пр. и пр.) можно было бы считать серьёзным корпусом акустической системы, чего ради во всём мире уже которое десятилетие корпуса для домашней акустики строят из толстых досок, с многочисленными рёбрами и распорками, причём тем более толстых и с тем более многочисленными, чем лучше акустика? Подойдите к машине (лучше - своей) и нажмите пальцем на центр двери. Миллиметр прогиба особого усилия не потребует. Проделайте то же самое с самой затрапезной домашней колонкой. Здесь можно воспользоваться и чужой, ущерб исключён, если ваша фамилия не Кличко.
Что такое миллиметр? Примерно амплитуда колебаний диффузора мидбаса на всех частотах, кроме предельно для него низких. А площадь его куда меньше, чем площадь дверной панели, поэтому вибрация металлического листа двери в значительной мере компенсирует пульсации давления во внутреннем объёме, то, на чём основано действие закрытого ящика как акустического оформления. Так что сам по себе объём без учёта жёсткости - фикция. Если не убедил, доведём ситуацию до абсурда: поставим на место корпуса акустической системы полиэтиленовый мешок, пусть и требуемого объёма. Это он для мусора 60 л, а для акустики - сам мусор. Поэтому, говоря об условиях работы дверных мидбасов, следует отдавать себе отчёт в том, что они работают не в закрытом объёме в акустическом смысле. Такое оформление ближе всего соответствует акустическом экрану, и тем ближе, чем тщательнее устранены условия для акустического короткого замыкания между лицевой стороной диффузора и тыльной, находящейся в двери.
Есть ли исключения из этого принципа? Разумеется. Назовите мне такой, из которого нет, я запомню. Одно исключение (или почти) - суперустановки, какие делают для побед на соревнованиях, и то, как правило, не ради наслаждения партикулярной персоны, а во славу крупной установочной студии или пафосной торговой марки. Второе - время от времени (последнее время - всё чаще) появляющиеся установки, в которых мидбасы помещают в действительно закрытый и жёсткий объём, когда выгораживая его в дверях, когда - в кикпанелях, когда (новейшее веяние) - в виде напольной конструкции, одна такая есть в этом номере. Но здесь и подходы иные, и динамики требуются особые, их не так и много. Подавляющее же большинство моделей мидбасовых головок изначально рассчитывались на дверную установку со всеми её реалиями, как бы мы временами ни язвили по поводу просчётов конструкторов, они чаще всего своё дело знают.
Так что общее правило будет такое: для сабвуфера параметры головки мы используем для расчёта, по которому делаем оформление, считающееся оптимальным. Кроме фри-эйрных установок, в которых параметры Тиля - Смолла головки станут и итоговыми параметрами головки в оформлении. Но таких меньшинство. А для мидбасов, обречённых на работу во фри-эйрных условиях, в акустическом экране, параметры головки и будут финальными, здесь расчёт не «проектировочный», а «поверочный», как принято говорить (исключение - «ящичные» установки мидбасов). А на основе поверочного расчёта, да иногда и просто прикидки, можно попытаться понять, чего мы вправе ожидать от того или иного мидбасового динамика, зная о нём только параметры Тиля - Смолла. На низких частотах - это почти всё, что надо знать. Но здесь, неподалёку - вторая причина столь разных подходов в акустике дома и в машине.
ПРИЧИНА ВТОРАЯ, АКУСТИЧЕСКАЯДа, вы правильно сейчас подумали: акустика салона. У нас была в своё время была статья про передаточную функцию салона, на мой взгляд, это одна из лучших публикаций в этом журнале за всё время его существования. Если есть возможность - загляните, это было в «АЗ» №8/2000, с. 68 и дальше. Коротко суть в следующем: в салоне машины ниже 100 Гц создаваемое любой акустической системой звуковое давление будет расти со снижением частоты со скоростью 12 дБ/окт. С какой именно частоты начиная? Это вопрос интересный. В Интернет-конференциях нередко находятся буквоеды, требующие, чтобы им разыскали передаточную функцию ровно для их автомобиля, чуть ли не с учётом года выпуска и климат-контроля. Наши же выводы (отчасти совпавшие с выводами американских коллег) были такие: АЧХ салона в полосе частот 80 - 100 Гц предугадать невозможно, она очень индивидуальна, а ниже 80 поведение машин даже с разными размерами салона, напротив, весьма сходно. И мы предложили некоторую обобщённую передаточную функцию, достаточную для предварительных расчётов. Да и не только для предварительных. Сопоставив накопившиеся за несколько лет результаты моделирвоания АЧХ сабвуферов с копящимися уже несколько месяцев данными, полученными в реальных установках с помощью RTA-анализатора, мы обнаружили очень неплохое совпадение, так что к предложенной скоро как пять лет назад функции нам сейчас добавить нечего.
Как влияет передаточная функция на критерии выбора параметров акустики? Как нетрудно догадаться - драматически, именно процессы и результаты дома и в машине при прочих равных оказываются разными, разными будут и подходы к вопросу.
Возьмём акустическую систему (динамик в оформлении типа «закрытый ящик»). Будем пока придерживаться этого типа оформления как наиболее универсального, включающего и случай акустического экрана, для нас весьма важный. Форма АЧХ такой акустической системы на низких частотах будет исчерпывающим образом определяться двумя параметрами: резонансная частота в оформлении Fc и полная добротность (тоже в оформлении) Qtc. Смена «s» на «с» как раз и означает, что от «голого» динамика мы перешли к «одетому».
Предположим, что мы сидим дома, предположим, что у нас есть доступ к неограниченным запасам акустических систем с разными сочетаниями Fc и Qtc. Понимаю, что нереально, но помечтать-то можно... Вот картинка, которая обошла, и не по одному разу, все книги и статьи по акустике: АЧХ акустических систем с одним и тем же значением резонансной частоты и разной добротностью. В нашем примере мы использовали ряд значений 0,5 - 0,7 - 1,0 - 1,2. В реальной жизни за эти пределы обычно не выходят. При одной и той же резонансной частоте чем выше добротность акустики, тем позже начнётся спад на FX{. А при больших значениях Qtc ему будет предшествовать выброс «в плюс». Чем руководствуются конструкторы домашней акустики при выборе Qtc (мы ведь пока дома)? Как всегда - компромиссом. Высокая добротность повышает отдачу на нижней границе рабочего диапазона, но порождает неравномерность частотной характеристики, из тех, что хорошо слышны в форме «бубнения». Оптимальной с точки зрения формы АЧХ считается Qtc = 0,707, то самое «баттервортовское» значение, которое мы так часто поминаем в тестах. Зачем нужны (на практике) более низкие значения добротности? На первый взгляд - ни за чем, АЧХ получается вялой, с ранним спадом. Однако, как ни парадоксально это прозвучит, вялая АЧХ - залог корректной передачи импульсных сигналов. Парадокс здесь только кажущийся: вспомните (всё!) - чем выше добротность, тем ближе динамик к колоколу, так? А значит, когда на него придёт короткий импульс музыкального сигнала, барабан или щипок струны, в музыке таких сигналов очень много, такой динамик и прореагирует отчасти как колокол: зазвенит на своей резонансной частоте, а об этом никто не просил. От динамика что требовалось: воспроизвёл импульс - и стой как вкопанный в ожидании следующего, а не гуди на любимой ноте.
Как можно «и невинность соблюсти, и капитал приобрести»? Ну как: снизить резонансную частоту. Картинка получается точно такая же, но сдвинутая по частоте вниз пропорционально Fc. Чего реально можно ожидать от перебора нашего неограниченного запаса акустики (вот жизнь!), понятно по серии графиков, где при одной и той же добротности берутся колонки с разными Fc (из ряда 40 - 60 - 80 - 100 Гц). Видите, при Qtc = 0,5 даже с низкой резонансной частотой АЧХ выходит на уровень -3 дБ на 70 Гц, а если резонансная частота высокая - начинает валиться уже на 180 Гц. И напротив, при высокой добротности (Qtc = 1,2) акустика с низким резонансом прилично басит уже на 35 Гц, и даже при высокой Fc нижняя граничная частота не опускается ниже 85 Гц. Ценой, правда, горба на АЧХ (его видно) и ухудшения импульсных характеристик (этого не видно, но поверьте на слово). В общем, набор опций для выбора очевиден. Теперь вспомним, что мы не домоседы, и взглянем, как то же самое выглядит в машине. Не забыв при этом, что если динамики стоят в дверях, то можно считать Fc = Fs и Qtc = Qts, то есть необходимо и достаточно знать параметры «голого» динамика. Почему, собственно, мы и стремимся их знать.
В машине работает, хотим мы того или нет, передаточная функция салона. Мы, вообще-то, хотим, она нам сильно помогает с басами. И вот: с учётом этой функции первые два графика перестают быть близнецами, как их домашние аналоги. Перестают быть близнецами и содержащиеся на графиках отдельные кривые. Поизучайте, любопытные картинки. Однако для принятия решений нужны немного другие. На основании следующей серии графиков можно решить, какие мидбасы подходят для установок с сабвуфером, а какие могут, в принципе, справиться и сами (в пределах возможного), какие требуют высокой частоты раздела полос мидбас - сабвуфер, какие согласны на низкую и так далее.
ВЫБОРТеперь снова пойдём по пути выбора головок с разными значениями резонансной частоты при одной и той же добротности. Ряд частот мы взяли тот же. Вот первый случай: головка с низкой добротностью. Какая бы у неё ни была резонансная частота (в пределах реально ожидаемого), у нас всегда будет слегка проваленный самый верхний бас (100 - 120 Гц), причём тем больше, чем выше резонансная частота головки (или её же - в двери). Зато с низкодобротной и низкорезонансной головкой появляется перспектива создания широкополосной бессабвуферной системы, правда пока - довольно призрачная. Более реальной она становится при более высоком значении добротности, как раз баттервортовской. Здесь при значении Fc между 40 и 60 Гц АЧХ становится или совсем ровной, или с подъёмом именно там где надо (при низкой добротности было ниже, чем надо). И главное - при таком сочетании параметров, если в системе сабвуфер всё же предусмотрен, настраивать ФВЧ фронтальной акустики можно практически без ограничений: в полосе 50 - 100 Гц фронт работает идеально.
Если полная добротность повышенная, равная единице, картина существенно меняется. Теперь Fc = 60 Гц - это залог заметного горба в системе, лишённой сабвуфера, динамик с низким резонансом даёт совсем грамотную АЧХ в области низкого баса, а если в системе есть сабвуфер, то выгоднее взять динамик с резонансом повыше, 80 - 100 Гц, и спокойно делить частотные полосы на 80 - 100 Гц., как обычно и делают.
А при совсем высокой добротности, равной 1,2? Здесь получается интересно: у динамиков с совсем низким резонансом АЧХ выходит, в принципе, интересная, правда такое сочетание параметров - большая редкость, почему - вы должны были бы знать из «В.В.-4». Зато именно высокое значение Fc даёт возможность безбедно отфильтровать фронт на наиболее часто используемых частотах: 70 - 80 Гц, даже с гарантией, что в полосе частот сабвуфера фронты будут культурно отдыхать, не внося сумятицы одновременной работы двух излучателей в одной полосе.
Подмывает на основе только что проведенного разбора дать какую-нибудь короткую и вескую рекомендацию, типа: если так, то брать вот это, а если эдак - то вот то. Но вы сами видите: взаимодействие внутрисалонного пространства с характеристиками акустики однообразием не отличается, здесь есть масса вариантов, требующих более вдумчивого анализа, нежели следование простой рекомендации.
И если всё делать правильно, полдела будет сделано. Почему только «пол»? Потому, что без сабвуфера, как оказывается, в большинстве случаев всё равно нельзя. Для выяснения, почему нельзя, для следующего выпуска мы тут подготовили интересную штуку: попытались вывести из экспериментальных данных идеальную АЧХ в салоне машины. И, что любопытно, вывели. Она отвечает на многие вопросы, остаётся только их задать, что мы и сделаем в следующий раз.
Книжки и компьютерные программы предлагают обычно ввести частоту, с которой начинается подъём на низких частотах в зависимости от размера машины: чем больше, тем ниже. Наше универсальное решение - частота начала подъёма около 80 Гц, при этом на совсем низких частотах график реальной передаточной функции уходит вниз от теоретического, в силу той же нежёсткости и негерметичности кузова
Случай баттервортовской добротности: дома всё как-то обыкновенно, а в машине есть возможность подобрать такое сочетание Fc и Qtc, которое обещает волшебные АЧХ
Дома - ну что, всё обыденно. В машине при повышенной добротности акустики появляются сочетания параметров, которых желательно избегать, иначе горб на АЧХ неизбежен. Или трудноустраним. В то же время именно при высоком значении добротности появляется возможность эффективно использовать фронтальную акустику с высокой резонансной частотой в системе с сабвуфером. Возможность, которая у низкодобротной акустики, при других её достоинствах, сильно ограничена
В случае совсем высокой добротности Qts выше 1,2 у нас встречается исключительно редко, выбор акустики с высокой резонансной частотой - вообще прописан доктором. Так что не бывает плохих параметров. Бывают неправильно использованные сочетания...
Подготовлено по материалам журнала "Автозвук", май 2005 г. www.avtozvuk.com
- Как! У тебя есть бабушка, которая угадывает три карты сряду, а ты до сих пор не перенял у ней ее кабалистики?
А.С. Пушкин, «Пиковая дама»
Сегодня речь пойдёт о том, что важно знать об акустике на самом деле. А именно - о знаменитых параметрах Тиля - Смолла, знание которых - залог выигрыша в азартной игре в автозвук. Без шельмовства и кабалистики.
Один выдающийся математик, по преданию, читая студентам лекции, говорил: «А сейчас мы приступим к доказательству теоремы, имя которой я имею честь носить». Кому выпала честь носить имена параметров Тиля и Смолла? Вспомним и это. Первым в связке идёт Альберт Невил Тиль (в оригинале A. Neville Thiele, «А» почти никогда не расшифровывается). И по возрасту, и по библиографии. Тилю сейчас 84 года, а когда ему было 40, он опубликовал историческую работу, в которой впервые было предложено проводить расчёты характеристик громкоговорителей на основе единого набора параметров, причём удобным и воспроизводимым образом.
Там, в работе 1961 года, было, в частности, сказано: «Характеристики громкоговорителя в области низких частот могут быть адекватно описаны с помощью трёх параметров: резонансной частоты, объёма воздуха, эквивалентного акустической гибкости громкоговорителя, и отношения электрического сопротивления к сопротивлению движению на резонансной частоте. По этим же параметрам определяется и электроакустическая эффективность. Я обращаюсь к производителям громкоговорителей с просьбой публиковать эти параметры как часть основных сведений об их изделиях».
Просьба Невилла Тиля была услышана индустрией только через десятилетие, в это время Тиль уже работал вместе с Рихардом Смоллом, уроженцем Калифорнии. По-калифорнийски пишется Richard Small, но почему-то уважаемый доктор предпочитает немецкий вариант произношения собственного имени. Смоллу в этом году исполняется 70, между прочим - юбилей поважнее многих. В начале семидесятых Тиль и Смолл окончательно довели до ума предложенный ими подход к расчёту громкоговорителей.
Сейчас Невилл Тиль - почётный профессор одного из университетов у себя на родине, в Австралии, а последняя профессиональная позиция Д-ра Смолла, за которой нам удалось уследить - главный инженер департамента автомобильной аудиотехники Harman-Becker. Ну и, само собой, оба - в составе руководства международного общества инженеров-акустиков (Audio Engineering Society). В общем, оба живы здоровы.
Слева Тиль, справа - Смолл, в порядке вклада в электроакустику. Между прочим, снимок редкий, мэтры не любили фотографироваться
Вешать или не вешать?
Образное определение условий измерения Fs как резонансной частоты динамика, висящего в воздухе, породило заблуждение, что так и надо эту частоту измерять, и энтузиасты норовили действительно подвешивать динамики на проволоках и верёвках. Измерениям параметров акустики будет посвящён отдельный выпуск «ВВ», а то и не один, здесь же отмечу: в грамотных лабораториях динамики при измерениях зажимают в тиски, а не подвешивают к люстре.
Итоги вычислительного эксперимента, которые помогут желающим понять, как величины электрической и механической добротности выражаются в импедансных кривых. Мы взяли полный набор электромеханических параметров реально существующего динамика, а потом стали изменять некоторые из них. Сперва - механическую добротность, как будто заменяли материал гофра и центрирующей шайбы. Потом - электрическую, для этого уже понадобилось изменять характеристики привода и подвижной системы. Вот что получилось:
Реальная импедансная кривая низкочастотного динамика. По ней вычисляются два из трёх главных параметров
Кривые импеданса для разных значений полной добротности, при этом электрическая Qes одна и та же, равная 0,5, а механическая изменяется от 1 до 8. Полная добротность Qts изменяется вроде бы не сильно, а высота горба на графике импеданса - сильно, и очень, при этом чем меньше Qms, тем он становится острее
Зависимость звукового давления от частоты при тех же значениях Qts. При измерении звукового давления важна только полная добротность Qts, поэтому совершенно непохожим кривым импеданса соответствуют не такие уж разные кривые звукового давления от частоты
Те же значения Qts, но теперь всюду Qms = 4, а Qes меняется так, чтобы выйти на те же значения Qts. Значения Qts те же, а кривые совсем другие и различаются между собой намного меньше. Нижние, красные кривые получены для тех значений, которые нельзя было получить в первом опыте при фиксированной Qes = 0,5
Кривые звукового давления для разных Qts, полученных изменением Qes. Четыре верхние кривые по форме - точно такие же, как когда мы меняли Qms, их форма определяется значениями Qts, а они остались прежними. Нижние, красные кривые, полученные для Qts больше 0,5, разумеется, другие, и на них начинает расти горб, обусловленный повышенной добротностью.
А вот теперь обратите внимание: дело не только в том, что при высоких Qts на характеристике появляется горб, при этом снижается чувствительность динамика на частотах выше резонансной. Объяснение простое: при прочих равных Qes может возрастать только с ростом массы подвижной системы или с уменьшением мощности магнита. И то и другое ведёт к падению чувствительности на средних частотах. Так что горб на резонансной частоте - это, скорее, следствие провала на частотах выше резонансной. В акустике ничего бесплатного не бывает...
Вклад младшего партнёра
Между прочим: основоположник метода А.Н. Тиль намеревался учитывать в расчётах только электрическую добротность, полагая (справедливо для своего времени), что доля механических потерь пренебрежимо мала по сравнению с потерями, вызванными работой «электрического тормоза» динамика. Вклад младшего партнёра, не единственный, впрочем, заключался в учёте Qms, теперь это стало важным: в современных головках используются материалы с повышенными потерями, которых не было в начале 60-х, и нам попадались динамики, где величина Qms составляла всего лишь 2 - 3, при электрической под единицу. При таких делах не учитывать механические потери было бы ошибкой. И особенно важным это стало с внедрением феррожидкостного охлаждения в ВЧ-головках, там из-за демпфирующего действия жидкости доля Qms в полной добротности становится решающей, а пик импеданса на частоте резонанса становится почти не виден, как на первом графике нашего вычислительного эксперимента.
Три карты, открытые Тилем и Смоллом
1. Fs - частота основного резонанса динамика без всякого корпуса. Характеризует только сам динамик, а не готовую акустическую систему на его базе. При установке в любой объём может только возрастать.
2. Qts - полная добротность динамика, безразмерная величина, характеризующая относительные потери в динамике. Чем она ниже, тем больше подавлен резонанс излучения и тем выше пик сопротивления на импедансной кривой. При установке в закрытый ящик возрастает.
3. Vas - эквивалентный объём динамика. Равен объёму воздуха с такой же жёсткостью, что и у подвеса. Чем жёстче подвес, тем меньше Vas. При одной и той же жёсткости Vas растёт с ростом площади диффузора.
Две половинки, составляющие карту №2
1. Qes - электрическая составляющая полной добротности, характеризует мощность электрического тормоза, препятствующего раскачке диффузора вблизи резонансной частоты. Обычно чем мощнее магнитная система, тем сильнее «тормоз» и тем меньше численно величина Qes.
2. Qms - механическая составляющая полной добротности, характеризует потери в упругих элементах подвеса. Потерь здесь намного меньше, чем в электрической составляющей, и численно Qms гораздо больше Qes.
Почём звенит колокол
Что общего у колокола и громкоговорителя? Ну, то, что оба звучат, - это очевидно. Важнее, что и то и другое - колебательные системы. А в чём различие? Колокол, как по нему ни долби, будет звучать на единственной частоте, предписанной каноном. А внешне не так уж непохожий на него динамик - в широком диапазоне частот, и может, при желании, одновременно изобразить и звон колокола, и пыхтение звонаря. Так вот: два из трёх параметров Тиля - Смолла как раз и описывают количественно это различие.
Только надо твёрдо запомнить, а лучше - перечитать цитату из основоположника в историко-биографической справке. Там сказано: «на низких частотах». К тому, как поведёт себя динамик на частотах более высоких, Тиль, Смолл и их параметры никакого отношения не имеют и никакой ответственности за это не несут. Какие частоты для динамика низкие, а какие - нет? А об этом и говорит первый из тройки параметров.
Карта первая, измеряемая в герцах
Итак: параметр Тиля - Смолла №1 - собственная резонансная частота динамика. Обозначается всегда Fs, независимо от языка публикации. Физический смысл предельно прост: раз динамик - колебательная система, значит, должна быть частота, на которой диффузор будет колебаться, будучи предоставлен сам себе. Как колокол после удара или струна после щипка. При этом имеется в виду, что динамик абсолютно «голый», не установлен ни в какой корпус, как бы висит в пространстве. Это важно, поскольку нас интересуют параметры собственно динамика, а не того, что его окружает.
Диапазон частот вокруг резонансной, две октавы вверх, две октавы вниз - это и есть область, где действуют параметры Тиля - Смолла. Для сабвуферных головок, ещё не установленных в корпус, Fs может составлять от 20 до 50 Гц, у мидбасовых динамиков от 50 (басовитые «шестёрки») до 100 - 120 («четвёрки»). У диффузорных среднечастотников - 100 - 200 Гц, у купольных - 400 - 800, у пищалок - 1000 - 2000 Гц (бывают исключения, очень редкие).
Как определяют собственную резонансную частоту динамика? Нет, как чаще всего определяют - ясно, читают в сопроводительной документации или в отчёте о тесте. Ну а как её изначально узнали? С колоколом было бы проще: дал по нему чем-нибудь и измерил частоту производимого гудения. Динамик же в явной форме ни на какой частоте гудеть не будет. То есть он хочет, но ему не даёт присущее его конструкции затухание колебаний диффузора. В этом смысле динамик очень сходен с автомобильной подвеской, и этой аналогией я пользовался не раз и ещё буду. Что произойдёт, если качнуть на подвеске автомобиль с пустыми амортизаторами? Он хоть несколько раз, но качнётся на собственной резонансной частоте (где есть пружина, там будет и частота). Амортизаторы, сдохшие только отчасти, остановят колебания после одного-двух периодов, а исправные - после первого же качка. В динамике амортизатор главнее пружины, причём здесь их даже два.
Первый, более слабый, работает благодаря тому, что происходит потеря энергии в подвесе. Не случайно гофр делается из специальных сортов каучука, мячик из такого материала от пола почти не будет отскакивать, специальная пропитка с большим внутренним трением выбирается и для центрирующей шайбы. Это как бы механический тормоз колебаний диффузора. Второй, гораздо более мощный - электрический.
Вот как он работает. Звуковая катушка динамика - его мотор. В ней течёт переменный ток от усилителя, и катушка, находящаяся в магнитном поле, начинает двигаться с частотой подведенного сигнала, двигая, понятно, и всю подвижную систему, затем она и здесь. Но ведь катушка, двигающаяся в магнитном поле - это генератор. Который будет вырабатывать тем больше электричества, чем сильнее движется катушка. И когда частота станет приближаться к резонансной, на которой диффузор «хочет» колебаться, амплитуда колебаний возрастёт, и напряжение, производимое звуковой катушкой, будет расти. Достигнув максимума точно на резонансной частоте. Какое это отношение имеет к торможению? Пока никакого. Но представьте себе, что выводы катушки замкнули между собой. Теперь уже по ней потечёт ток и возникнет сила, которая по школьному правилу Ленца будет препятствовать движению, его породившему. А ведь звуковая катушка в реальной жизни замкнута на выходное сопротивление усилителя, близкое к нулю. Получается как бы электрический тормоз, приспосабливающийся к обстановке: чем с большим размахом пытается ходить туда-сюда диффузор, тем больше этому препятствует встречный ток в звуковой катушке. У колокола тормозов нет, кроме затухания вибраций в его стенках, а в бронзе - какое затухание...
Карта вторая, не измеряемая ни в чём
Мощность тормозов динамика численно выражается во втором параметре Тиля - Смолла. Это - полная добротность динамика, обозначается Qts. Выражается численно, но не буквально. В смысле, чем мощнее тормоза, тем меньше величина Qts. Отсюда и название «добротность» в русском (или quality factor в английском, из которого возникло обозначение этой величины), что это как бы оценка качества колебательной системы. Физически добротность - отношение упругих сил в системе к вязким, иначе - к силам трения. Упругие силы сохраняют энергию в системе, попеременно перегоняя энергию из потенциальной (сжатая или растянутая пружина или же подвес динамика) в кинетическую (энергия движущегося диффузора). Вязкие норовят энергию любого движения превратить в тепло и безвозвратно рассеять. Высокая добротность (а у того же колокола она будет измеряться десятками тысяч) означает, что упругих сил намного больше, чем сил трения (вязких, это одно и то же). Это же означает, что на каждое колебание в тепло будет переходить только малая часть энергии, запасённой в системе. Поэтому, кстати, добротность - единственная величина в тройке параметров Тиля - Смолла, не имеющая размерности, это отношение одних сил к другим. Как рассеивает энергию колокол? Через внутреннее трение в бронзе, главным образом, потихоньку. Как это делает динамик, у которого добротность намного меньше, а значит, темпы потери энергии гораздо выше? Двумя способами, по числу «тормозов». Часть рассеивается через внутренние потери в упругих элементах подвеса, и эту долю потерь можно оценить отдельной величиной добротности, она носит название механической, обозначается Qms. Вторая, большая часть рассеивается в виде тепла от тока, проходящего по звуковой катушке. Тока, ей же выработанного. Это - электрическая добротность Qes. Суммарное действие тормозов определялось бы очень легко, если бы в ходу были не величины добротности, а наоборот, величины потерь. Мы бы их просто сложили. А раз мы имеем дело с величинами, обратными потерям, то и складывать придётся обратные величины, поэтому и выходит, что 1/Qts = 1/Qms + 1/Qes.
Типичные значения добротностей: механическая - от 5 до 10. Электрическая - от 0,2 до 1. Поскольку в дело идут обратные величины, то получается, что мы суммируем механический вклад в потери порядка 0,1 - 0,2 с электрическим, составляющим от 1 до 5. Ясно, что итог будет определяться в основном электрической добротностью, то есть главный тормоз динамика - электрический.
Так как же вырвать у динамика имена «трёх карт»? Ну хотя бы двух первых, до третьей ещё доберёмся. Пистолетом, как Германн, грозить бесполезно, динамик не старуха. На помощь приходит всё та же звуковая катушка, пламенный мотор динамика. Ведь мы уже осознали: пламенный мотор подрабатывает и пламенным генератором. И в этом качестве как бы ябедничает об амплитуде колебаний диффузора. Чем большее напряжение появится на звуковой катушке как результат её колебаний вместе с диффузором, тем больше, значит, размах колебаний, тем ближе, значит, мы к резонансной частоте.
Как это напряжение измерить, притом что к звуковой катушке подведен сигнал от усилителя? То есть как разделить подведенное к мотору от выработанного генератором, это же на одних и тех же выводах? А не надо разделять, надо измерить получающуюся сумму.
Для этого поступают так. Динамик присоединяют к усилителю с возможно большим выходным сопротивлением, в реальной жизни это означает: последовательно с динамиком включают резистор с номиналом намного, в сто, как минимум, раз больше номинального сопротивления динамика. Скажем, 1000 Ом. Теперь при работе динамика звуковая катушка будет вырабатывать противо-ЭДС, вроде как для работы электрического тормоза, но торможения не произойдёт: выводы катушки замкнуты между собой через очень большое сопротивление, ток мизерный, тормоз - никудышный. Зато напряжение, по правилу Ленца противоположное по полярности подведенному («порождающему движение»), сложится с ним в противофазе, и если в этот момент измерить кажущееся сопротивление звуковой катушки, то покажется, что оно очень большое. На самом деле при этом противо-ЭДС не даёт току от усилителя беспрепятственно протекать по катушке, прибор это истолковывает как возросшее сопротивление, а как ещё?
Через измерение импеданса, того самого «кажущегося» (а на деле - комплексного, со всякими активными и реактивными составляющими, сейчас об этом не время) сопротивления и открываются две карты из трёх. Кривая импеданса любого диффузорного динамика, от Келлога и Райса до наших дней, выглядит, в принципе, одинаково, она даже фигурирует в логотипе какого-то электроакустического научного сообщества, сейчас забыл, какого. Горб на низких (для этого динамика) частотах обозначает частоту его основного резонанса. Где максимум - там и вожделенная Fs. Элементарнее не бывает. Выше резонанса наступает минимум полного сопротивления, его-то обычно и принимают за номинальное сопротивление динамика, хотя, как видите, оно остаётся таким только в небольшой полосе частот. Выше полное сопротивление начинает вновь расти, теперь уже из-за того, что звуковая катушка - не только мотор, но и индуктивность, сопротивление которой растёт с частотой. Но туда мы сейчас ходить не будем, там интересующие нас параметры не живут.
Куда сложнее с величиной добротности, но, тем не менее, исчерпывающая информация о «второй карте» тоже содержится в импедансной кривой. Исчерпывающая, потому что по одной кривой можно вычислить и электрическую Qes, и механическую добротность Qms, по отдельности. Как потом сделать из них полную Qts, реально необходимую при расчёте оформления, мы уже знаем, дело нехитрое, не бином Ньютона.
Как именно определяются искомые величины по импедансной кривой, мы обсудим в другой раз, когда разговор пойдёт о методах измерения параметров. Сейчас будем исходить из того, что кто-то (производитель акустики или соратники вашего покорного слуги) это за вас сделали. Но отмечу вот что. Существует два заблуждения, связанных с попытками экспресс-анализа параметров Тиля - Смолла по виду кривой импеданса. Первое - совсем лоховское, его мы сейчас развеем без следа. Это когда глядят на кривую импеданса с огромным горбом на резонансе и восклицают: «Ничего себе добротность!» Типа - высокая. А глядя на маленький пупырышек на кривой, заключают: раз пик импеданса так приглажен, значит, у динамика высокое демпфирование, то есть - низкая добротность.
Так вот: в самом простом варианте это ровно наоборот. Что означает высокий пик импеданса на частоте резонанса? Что звуковая катушка вырабатывает много противо-ЭДС, предназначенной для электрического торможения колебаний диффузора. Только при таком включении, через большое сопротивление, ток, необходимый для работы тормоза, не протекает. А когда такой динамик окажется включён не для измерений, а нормально, напрямую от усилителя, тормозящий ток пойдёт будь здоров, катушка станет могучим препятствием на пути неумеренных колебаний диффузора на его любимой частоте.
При прочих равных можно грубо оценить добротность по кривой, причём именно помня: высота импедансного пика характеризует потенциал электрического тормоза динамика, следовательно, чем он выше, тем НИЖЕ добротность. Будет ли такая оценка исчерпывающей? Не совсем, как было сказано, она останется грубой. Ведь в импедансной кривой, как уже говорилось, закопана информация и о Qes, и о Qms, выкопать которую можно (вручную или с помощью компьютерной программы), проанализировав не только высоту, но и «ширину плеч» резонансного горба.
А как добротность сказывается на форме АЧХ динамика, нас ведь именно это интересует? Как сказывается - решающим образом сказывается. Чем ниже добротность, то есть чем мощнее внутренние тормоза динамика на резонансной частоте, тем ниже и более плавно спадая, пройдёт вблизи резонанса кривая, характеризующая создаваемое динамиком звуковое давление. Минимальная неравномерность в этой полосе частот будет при Qts, равной 0,707, что принято называть характеристикой Баттерворта. При высоких значениях добротности кривая звукового давления начнёт «горбиться» вблизи резонанса, понятно почему: тормоза слабые.
Бывает ли «хорошая» или «плохая» полная добротность? Сама по себе - нет, потому что, когда динамик окажется установлен в акустическое оформление, в качестве которого сейчас будем рассматривать только закрытый ящик, и частота его резонанса, и полная добротность станут другими. Почему? Потому что и то и то зависит от упругости подвеса динамика. Резонансная частота зависит только от массы подвижной системы и жёсткости подвеса. С ростом жёсткости Fs растёт, с ростом массы - падает. Когда динамик установлен в закрытый ящик, воздух в нём, обладающий упругостью, начинает работать дополнительной пружиной в подвесе, общая жёсткость повышается, Fs растёт. Растёт и полная добротность, поскольку она - отношение упругих сил к тормозящим. Возможности тормозов динамика от его установки в некий объём не изменятся (с чего бы?), а суммарная упругость - возрастёт, добротность - неизбежно возрастёт. И никогда не станет ниже, чем была у «голого» динамика. Никогда, это - нижний предел. Насколько всё это возрастёт? А это зависит от того, насколько жёсткий у динамика собственный подвес. Смотрите: одно и то же значение Fs можно получить при лёгком диффузоре на мягком подвесе или при тяжёлом - на жёстком, масса и жёсткость действуют в противоположных направлениях, а итог может оказаться численно равным. Теперь если мы поставим в какой-то объём (обладающий полагающимся этому объёму упругостью) динамик с жёстким подвесом, то он небольшого возрастания суммарной жёсткости и не заметит, величины Fs и Qts изменятся не сильно. Поставим туда же динамик с мягким подвесом, по сравнению с жёсткостью которого «воздушная пружина» будет уже существенной, и увидим, что суммарная жёсткость изменилась сильно, а значит, Fs и Qts, исходно такие же, как у первого динамика, изменятся существенно.
В тёмные «дотилевские» времена для расчёта новых значений частоты резонанса и добротности (они, чтобы не путать с параметрами «голого» динамика, обозначаются как Fc и Qtc) нужно было знать (или измерить) непосредственно упругость подвеса, в миллиметрах на ньютон приложенной силы, знать массу подвижной системы, а потом мудрить с программами расчёта. Тиль предложил концепцию «эквивалентного объёма», то есть такого объёма воздуха в закрытом ящике, упругость которого равна упругости подвеса динамика. Эта величина, обозначаемая Vas, и есть третья волшебная карта.
Карта третья, объёмная
Как измеряют Vas - история отдельная, там есть забавные повороты, и об этом, как говорю уже в третий раз, будет в специальном выпуске серии. Для практики важно понять две вещи. Первая: предельно лоховское заблуждение (увы, тем не менее встречающееся), что приведенное в сопроводительных документах к динамику значение Vas - это объём, в который динамик надо ставить. А это всего лишь - характеристика динамика, зависящая только от двух величин: жёсткости подвеса и диаметра диффузора. Если поставить динамик в ящик с объёмом, равным Vas, резонансная частота и полная добротность возрастут в 1,4 раза (это квадратный корень из двух). Если в объём, равный половине Vas - в 1,7 раза (корень из трёх). Если сделать ящик объёмом в одну треть от Vas, всё остальное возрастёт вдвое (корень из четырёх, логика должна быть уже понятна и без формул).
В результате, действительно, чем меньше при прочих равных величина Vas у динамика, тем на более компактное оформление можно рассчитывать, сохраняя плановые показатели по Fc и Qtc. Компактность, однако, не даётся бесплатно. В акустике бесплатного вообще не бывает. Малое значение Vas при той же резонансной частоте динамика - результат сочетания жёсткого подвеса с тяжёлой подвижной системой. А от массы «подвижки» самым решительным образом зависит чувствительность. Поэтому все сабвуферные головки, отличающиеся возможностью работы в компактных закрытых корпусах, характеризуются и низкой чувствительностью по сравнению с коллегами с лёгкими диффузорами, но большими значениями Vas. Так что хороших и плохих значений Vas тоже не бывает, всему своя цена.
Подготовлено по материалам журнала "Автозвук", март 2005 г. www.avtozvuk.com
Внимание! Приведенная ниже методики действенна только для измерения параметров динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц, на более высоких частотах погрешность возрастает.
Для получения максимально достоверных результатов все измерения рекомендуется производить несколько раз (3-5раз), затем за результат принимается средне-арифметическое значение.
Перед измерением параметров динамик необходимо «размять». Дело в том, что у неработающего определенное время динамика или у нового динамика параметры будут отличаться, от тех которые мы измерим после того как динамик отыграет определенное время и будет регулярно работать. Поэтому смысл размятия динамика и заключается в получении достоверных параметров измерений. Бытует множество мнений как и сколько надо разминать: просто музыкой, синусоидальным сигналом (синусом) на частоте резонанса динамика Fs, синусом на 1000Гц, гонять синусом на разных частотах, белым и розовым шумом, использовать тестовые диски.
Как разминать решать Вам, - это дело Ваших возможностей и времени, но разминать обязательно нужно.
От себя посоветую разминать в течении суток в различных комбинациях выше пречисленных способов, начать стоит с синуса частоты собственного резонанса Fs (взятую из паспорта динамика) на максимальное количество времени, потом уже использовать остальные способы. Можно использовать тестовые диски, лучше те которые содержат как музыкальные так и технические треки, т.е. сгенерированные сигналы различной формы, частоты и мощности, причем начать лучше с технических треков. Желательно разминать динамик на 50-100% от номинальной мощности, всё зависит от ваших условий, ушей и нервов.
Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (корпус, ящик) являются параметры Тиля-Смолла.
Измерение резонансной частоты Fs, добротности динамика Qts и ее составляющих электрической и механической добротности Qes, Qms.
Метод 1
Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:
* Вольтметр
*Генератор сигналов звуковой частоты
*Частотомер
* Мощный (не менее 2 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
*Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
* Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.
Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение (например, это), способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности. Либо мне еще приходилось делать так, когда не было рядом компьютера: я нарезал на диск треки с частотами от 20-120Гц, потом крутил его на DVD подключенный усилителю и затем уже подключал подвешенный динамик через сопротивление.
Калибровка.
Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0,01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0,004 вольта.
Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора (усилителя) НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.
Определение Fs и Rmax
.
Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве, обычно его подвешивают (обычно на люстре) подальше от стен и различныз предметов. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно увеличивайте частоту генератора, начиная примерно с 20Гц, и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.
Определение Qms, Qes и Qts.
Эти параметры определяются по следующим формулам.
Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2 . Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx . Поскольку Rx всегда меньше Rmax , то и частот будет две - одна несколько меньше Fs , а другая несколько больше.
Определение сопротивление обмотки головки постоянному току Re.
Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re
. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re
можно замерить и непосредственно омметром.
Метод 2
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: резистор на 1кОм и - генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию. Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать). Подключаем вольтметр к точкам А и С (т.е. к выходу усилителя) , и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.
Подключаем вольтметр к точкам В и С (т.е. непосредственно к контактам динамика) и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, (как показано на рисунке ниже). Это и есть частота собственного резонанса динамика Fs
. Записываем Fs
и Us
-показания вольтметра.
Изменяя частоту вверх относительно Fs , находим частоты, на которых показания вольтметра постоянны и значительно меньше Us (при дальнейшем повышении частоты напряжение опять начнет увеличиваться, пропорционально увеличению импеданса динамика). Запишем это значение, Um .
График импеданса динамика в свободном пространстве и в закрытом ящике выглядит приблизительно так.
Вычисляем напряжение U12
по формуле: 
Изменяя частоту, добиваемся показаний на вольтметре соответствующие напряжению U12 , находим частоты F1 и F2.
Вычисляем акустическую или механическую добротность по формуле: 
Электрическую добротность: 
И, на конец, полную добротность: 
Метод 3 - Измерения параметров тиля-смолла при помощи фазоинвертора
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: калибровочного резистора Rk номиналом 10 Ом и активное сопротивление R, задающее ток в цепи, номиналом 1кОм. Можно взять сопротивления Rk и R других номиналов, выполняя условия:
Rk - может быть любым, но близким к Re
R/Re > 200
Где Re - сопротивления постоянному току звуковой катушки.
Измерения начинаются с наиболее точного определения сопротивления постоянному току звуковой катушки Re и калибровочного резистора Rk при помощи цифрового вольтметра или мультиметра.
Затем вместо динамика включаем калибровочный резистор Rk и измеряем напряжение Uk на нем. Напряжение, соответствующее сопротивлению звуковой катушки постоянному току, находим по формуле:
Где: Sd - эффективная излучающая поверхность диффузора, м2; Cms - относительная жесткость.
Излучающая поверхность диффузора для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна: Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.
Рассчитываем относительную жесткость Cms на основе полученных результатов по формуле:
М/Н (метров/Ньютон), где М - масса добавленных грузиков в килограммах.
Определение эквивалентного объема методом добавочного объема
Для определения эквивалентного объема динамика методом добавочного объема герметичный измерительный ящик с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать. Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. герметизируем все щели.
Затем нужно произвести измерения Fс
(резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить механическую и электрическую добротность Qmc
и Qec
и добротность динамика в измерительном ящике Qts"
(Qtс)
. После чего уже вычисляем эквивалентный объем по формуле: 
Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу: 
Где: Vb - объем измерительного ящика, м3.
Выполняем проверку: вычисляем 
и если измеренная в ящике Qts’=Qtc
, ну или почти равна, значит - все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.
Выводы
Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:
*1. Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
*2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
*3. Если соотношение Fs/Qts
у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет.
Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - Sd, Cms
и Lе
.
Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса.
Загрузка...