Нижняя граница воспроизводимого громкоговорителем диапазона частот определяется основной резонансной частотой головки. К сожалению, в продаже очень редко бывают головки, имеющие основную резонансную частоту ниже 60-80 Гц. Поэтому для расширения диапазона рабочих частот акустических систем весьма актуальной представляется возможность снижения основной резонансной частоты используемых в них головок. Как известно, подвижная система головки (диффузор со звуковой катушкой) в области основного резонанса представляет собой простую колебательную систему, состоящую из массы и гибкости подвеса. Резонансная частота такой системы определяется формулой:
Где m - масса диффузора, звуковой катушки и присоединенной массы воздуха, г, С - гибкость подвеса, см/дин.
Таким образом, чтобы снизить основную резонансную частоту головки необходимо увеличить либо массу диффузора и звуковой катушки, либо гибкость их подвеса, либо то и другое вместе. Наиболее просто увеличить массу диффузора, укрепив на нем дополнительный груз. Однако увеличивать массу подвижной системы головки невыгодно, так как это снизит не только резонансную частоту, но и создаваемое головкой звуковое давление. Дело в том, что сила F, создаваемая током I в звуковой катушке динамической головки, равна
Где B - магнитная индукция в зазоре, l - длина проводника звуковой катушки.
С другой стороны, согласно законам механики, эта сила равна F=m*a,гдеm - масса подвижной системы, a - колебательное ускорение.
Поскольку сила, приложенная к звуковой катушке, зависит для данной головки только от величины тока, то увеличив массу, мы во столько же раз уменьшим колебательное ускорение катушки и диффузора; а поскольку звуковое давление, создаваемое головкой в этой области частот, пропорционально ускорению диффузора, уменьшение ускорения равносильно снижению звукового давления. Если бы мы попытались вдвое снизить основную резонансную частоту головки, для этого потребовалось бы увеличить массу подвижной системы в четыре раза, и во столько же раз снизилось бы создаваемое головкой звуковое давление при неизменном токе в катушке. Кроме того, увеличение массы повысило бы добротность подвижной системы и увеличило резонансный пик, а с ним и неравномерность частотной характеристики, что, в свою очередь, ухудшило бы переходные характеристики громкоговорителя.
Следовательно, для снижения резонансной частоты головки целесообразнее увеличить гибкость подвеса диффузора и центрирующего диска, то есть уменьшить жесткость крепления подвижной системы. Делается это следующим образом. Прежде всего отклеивают или отрезают острым скальпелем или лезвием (по кольцу диффузородержателя) воротник диффузора. Затем отпаивают гибкие выводы звуковой катушки, отвинчивают кольцо центрирующего диска и гетинаксовый «паук» (если таковые имеются) или отклеивают центрирующий диск от диффузородержателя.
Гибкость центрирующего диска с гофрами увеличивают, прорезав в нем равномерно по окружности три-четыре конусообразных отверстия (см. рис. 1). Общая площадь этих отверстий должна составлять 0,4- 0,5 площади гофров центрирующего диска. Для зашиты магнитного зазора от пыли на вырезы или весь диск обычным резиновым клеем или клеем БФ-6 наклеивают марлю. Если звуковая катушка центрируется гетинаксовым (текстолитовым) "пауком", то гибкость увеличивают, уменьшая ширину его дужек (запиливая их напильником или осторожно обкусывая кусачками). После этого обрезают у диффузора часть краевого гофра, чтобы между краем диффузора и кольцом диффузородержателя был промежуток около 200 мм. Если при этом на краю диффузора остался гофр, то его расправляют на длине около 10 мм и приклеивают к нему подвес в виде дужек из павинола или мягкого текстовинила. Для увеличения гибкости по возможности следует удалить их текстильную или трикотажную подложку.
Очень гибкие и эластичные дужки можно изготовить с помощью кремнийорганического клея - герметика "эластосил" из тонких капроновых чулок. Голенище чулка разрезают вдоль и на полученном полотне шириной 24-28 см делают разметку (см. рис. 2). При разметке дужки должны быть расположены поперек чулка (см. рис. 2), поскольку эластичность чулка больше в продольном направлении. Затем, положив на какую-нибудь дощечку или толстый картон, кусок гладкой полиэтиленовой пленки, накладывают на нее чулочное полотно и закрепляют по краям кнопками или гвоздиками. После этого шпателем или торцом металлической линейки наносят на трикотаж «эластосил», так чтобы нити трикотажа не были видны. Через сутки (время полимеризации «эластосила») трикотаж переворачивают и наносят «эластосил» на другую сторону.
Для вырезания дужек следует изготовить картонный шаблон. Диффузор желательно подвесить не более чем на трех или четырех дужках так, чтобы каждая дужка занимала соответственно треть или четверть длины окружности диффузора. На дужках и на краю диффузора карандашом отмечают поверхности, которыми они должны быть склеены, ширина этих поверхностей должна составлять 7-10 мм. Готовые дужки намазывают поочередно клеем и приклеивают их к отмеченному краю диффузора «эластосилом» либо кремнийорганическим клеем КТ-30 или МСН-7. Дужки из павинола или текстовинила приклеивают поверхностью, где находился текстиль, клеем БФ-2, 88 или АВ-4. Рекомендуется предварительно проверить пригодность (соответствие) клея материалу, приклеив кусочек материала к плотной бумаге.
Стыки между дужками должны быть также склеены так, чтобы не было щелей. Лучше всего это сделать "эластосилом", у павиноловых или текстовиниловых дужек рекомендуется скрепить края нитками и залить-в несколько приемов обычным резиновым клеем.
Закончив подвес диффузора, его устанавливают в диффузородержатель так, чтобы звуковая катушка вошла в зазор. Затем укрепляют кольцо центрирующего диска и производят предварительную центровку звуковой катушки (до приклейки подвеса). Далее поочередно приклеивают к кольцу диффузородержателя дужки подвеса диффузора. Для отгибания дужек, при намазывании клеем кольца диффузородержателя, удобно использовать зажимы "крокодил" с вставленными в них однополюсными вилками (для тяжести). После подклейки подвеса производят окончательную центровку звуковой катушки и закрепляют кольца центрирующего диска или гетинаксового "паука". Если центрирующий диск не имеет металлического кольца и отклеен, то вначале приклеивают, подвес диффузора, а затем центрирующий диск, одновременно с этим центрируя звуковую катушку в зазоре. В последнюю очередь припаивают выводы звуковой катушки и приклеивают к диффузородержателю опорные дужки из картона, губчатой резины или войлока.
Если диффузор имеет трещину (разрыв), то ее лучше всего заклеить клеем "эластосил" или в несколько приемов залить, резиновым клеем.
Описанным способом удается снизить частоту основного резонанса головки в 1,5-2 раза. Для примера на рис. 3 приведены частотные характеристики полного сопротивления головки 4А-18 до (пунктир) и после переделки.
Эта головка изготовлена ленинградским заводом киноаппаратуры "Кинап" в 1954 году; переделка ее состояла в прорезании трех окон в центрирующем диске и замене краевого гофра павиноловыми дужками, причем текстильная подложка не удалялась. Резонансная частота снизилась со 105 Гц до 70 Гц, то есть в 1,5 раза. Любопытно отметить, что такое же снижение частоты резонанса дает дополнительный груз массой 25 г.
Взято с сайта журнала "Автозвук"Контекст
В предыдущей части нашего разговора выяснилось, чем хороши различные типы акустического оформления и чем плохи. Казалось бы, теперь "цели ясны, за работу, товарищи.." Не тут-то было. Во-первых, акустическое оформление, в которое не установлен собственно динамик - всего лишь с той или иной степенью тщательности собранная коробка. А зачастую и собрать-то ее нельзя, пока не будет определено, какой динамик окажется в нее установлен. Во-вторых, и в этом главная потеха в проектировании и изготовлении автомобильных сабвуферов - характеристики сабвуфера немногого стоят вне контекста характеристик, хотя бы самых основных, автомобиля, где он будет работать. Есть еще и в-третьих. Мобильная акустическая система, одинаково приспособленная для любой музыки - редко достигаемый идеал. Грамотного установщика можно узнать обычно по тому, что, "снимая показания" с клиента, заказывающего аудиоустановку, он просит принести образцы того, что клиент будет слушать на заказанной им системе после ее завершения.
Как видно, факторов, влияющих на решение - очень много и свести все к простым и однозначным рецептам нет никакой возможности, что и превращает создание мобильных аудиоустановок в занятие сильно родственное искусству. Но некоторые общие ориентиры наметить все же можно.
Цифирь
Робких, ленивых и гуманитарно образованных спешу предупредить - формул практически не будет. Покуда возможно, попытаемся обойтись даже без калькулятора - забытым методом устного счета.
Сабвуферы - единственное звено автомобильной акустики, где измерение гармонии алгеброй - дело небезнадежное. Прямее скажу - без расчета спроектировать сабвуфер просто немыслимо. В качестве же исходных данных для этого расчета выступают параметры динамика. Какие? Да уж не те, которыми вас гипнотизируют в магазине, будьте уверены! Для расчета, даже самого приблизительного, характеристик низкочастотного громкоговорителя требуется знать его электромеханические параметры, которых - тьма. Это и резонансная частота, и масса подвижной системы, и индукция в зазоре магнитной системы и еще по меньшей мере два десятка показателей, понятных и не очень. Расстроены? Неудивительно. Так же расстроены оказались лет около двадцати назад два австралийца - Ричард Смолл и Невил Тиль. Они предложили вместо гор цифири использовать универсальный и довольно компактный набор характеристик, увековечивший, вполне заслуженно, их имена. Теперь, когда вы увидите в описании динамика таблицу, озаглавленную Thiel/Small parameters (или просто T/S) - вы знаете, о чем речь. А если такой таблицы вы не найдете - переходите к следующему варианту - этот - безнадежен.
Минимальный набор характеристик, которые вам понадобится выяснить - это:
Собственная резонансная частота динамика Fs
Полная добротность Qts
Эквивалентный объем Vas.
В принципе, есть и другие характеристики, которые полезно было бы знать, но этого, в общем-то, хватит. (сюда не включен диаметр динамика, поскольку его и так видно, без документации.) Если хотя бы одного параметра из "чрезвычайной тройки" нехватает, дело - швах. Ну а теперь - что все это означает.
Собственная частота - это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется - динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик - массы подвижной системы и жесткости подвески. Бытует мнение, что чем ниже резонансная частота, тем лучше выйдет сабвуфер. Это верно только отчасти, для некоторых конструкций излишне низкая частота резонанса - помеха. Для ориентира: низкая - это 20 - 25 Гц. Ниже 20 Гц - редкость. Выше 40 Гц - считается высокой, для сабвуфера.
Полная добротность. Добротность в данном случае- не качество изделия, а соотношение упругих и вязких сил, существующих в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Подвижная система динамика во много сродни подвеске автомобиля, где есть пружина и амортизатор. Пружина создает упругие силы, то есть накапливает и отдает энергию в процессе колебаний, а амортизатор - источник вязкого сопротивления, он ничего не накапливает, а поглощает и рассеивает в виде тепла. То же самое происходит при колебаниях диффузора и всего, что к нему прикреплено. Высокое значение добротности означает, что преобладают упругие силы. Это - как автомобиль без амортизаторов. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Прыгать на той самой резонансной частоте, которая присуща этой колебательной системе.
Применительно к громкоговорителю это означает выброс частотной характеристики на частоте резонанса, тем больий, чем выше полная добротность системы. Самая высокая добротность, измеряемая тысячами - у колокола, который в результате ни на какой частоте, кроме резонансной звучать не желает, благо еще, что этого от него никто и не требует.
Популярный метод диагностики подвески машины покачиванием - не что иное как измерение добротности подвески кустарным способом. Если теперь привести подвеску в порядок, то есть прицепить параллельно пружине амортизатор, накопленная при сжатии пружины энергия уже не вся вернется обратно, а частично будет загублена амортизатором. Это - снижение добротности системы. Теперь опять вернемся к динамику. Ничего, что мы туда-сюда ходим? Это, говорят, полезно…С пружиной у динамика все, вроде бы, ясно. Это - подвеска диффузора. А амортизатор? Амортизаторов - целых два, работающих параллельно. Полная добротность динамика складывается из двух: механической и электрической. Механическая добротность определяется главным образом выбором материала подвеса, причем в основном - центрирующей шайбы, а не внешнего гофра, как иногда полагают. Больших потерь здесь обычно не бывает и вклад механической добротности в полную не превышает 10 - 15%. Основной вклад принадлежит электрической добротности. Самый жесткий амортизатор, работающий в колебательной системе динамика - это ансамбль из звуковой катушки и магнита. Будучи по своей природе электромотором, он как и полагается мотору, может работать как генератор и именно этим и занят вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда перемещения звуковой катушки - максимальны. Двигаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает ток, а нагрузкой для такого генератора служит выходное сопротивление усилителя, то есть практически - ноль. Получается такой же электрический тормоз, каким снабжены все электрички. Там тоже при торможении тяговые двигатели заставляют работать в режиме генераторов, а нагрузка их - батареи тормозных сопротивлений на крыше.
Величина вырабатываемого тока будет, естественно, тем больше, чем сильнее магнитное поле, в котором движется звуковая катушка. Получается, что чем мощнее магнит динамика, тем ниже, при прочих равных, его добротность. Но, конечно, поскольку в формировании этой величины участвуют и длина провода обмотки, и ширина зазора в магнитной системе, окончательный вывод только на основании размера магнита было бы делать преждевременно. А предварительный - почему нет?…
Базовые понятия - низкой считается полная добротность динамика меньше 0,3 - 0,35; высокой - больше 0,5 - 0,6.
Эквивалентный объем. Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе "акустического подвеса".
У нас их иногда называют "компрессионными", что неправильно. Компрессионные головки - это совсем другая история, связанная с применением в роли акустического оформления рупоров.
Концепция акустического подвеса заключается в установке динамика в такой объем воздуха, упругость которого сопоставима с упругостью подвеса динамика. При этом получается, что в параллель к уже имеющейся в подвеске пружине поставили еще одну. Эквивалентным объемом будет при этом такой, при котором веновь появившаяся пружина равна по упругости уже имевшейся. Величина эквивалентного объема определяется жесткостью подвеса и диаметром динамика. Чем мягче подвес, тем больше будет величина воздушной подушки, присутствие которой начнет беспокоить динамик. То же происходит с изменением диаметра диффузора. Большой диффузор при одном и том же смещении будет сильнее сжимать воздух внутри ящика, тем самым испытывая большую ответную силу упругости воздушного объема.
Именно это обстоятельство зачастую определяет выбор размера динамика, исходя из имеющегося объема для размещения его акустического оформления. Большие диффузоры создают предпосылки для высокой отдачи сабвуфера, но требуют и больших объемов. Аргумент из репертуара комнаты в конце школьного коридора "а у меня больше" здесь надо применять осмотрительно.
У эквивалентного объема интересные родственные связи с резонансной частотой, без осознания которых легко промахнуться. Резонансная частота определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем - диаметром диффузора и той же жесткостью.
В результате возможна такая ситуация. Предположим, имеется два динамика одинакового размера и с одинаковой частотой резонанса. Но только у одного из них это значение частоты получилось вследствие тяжелого диффузора и жесткой подвески, а у другого - наоборот, легкого диффузора на мягком подвесе. Эквивалентный объем у такой парочки при всей внешней схожести может различаться очень существенно, и при установке в один и тот же ящик результаты будут драматически различны.
Итак, установив, что означают жизненно важные параметры, начнем наконец выбирать суженого. Модель будет такая - считаем, что вы определились, на основе, скажем, материалов предыдущей статьи этой серии, с типом акустического оформления и теперь надо выбрать для него динамик из сотен альтернатив. Освоив этот процесс, обратный, то есть выбор подходящего оформления под выбранный динамик, дастся вам без труда. В смысле - почти без труда.
Закрытый ящик
Как было сказано в приведенной статье, закрытый ящик - простейшее акустичнское оформление, но далеко не примитивное, напротив, имеющее, в особенности в автомобиле, ряд важнейших преимуществ перед другими. Популярность его в мобильных приложениях нисколько не угасает, потому с него и начнем.
Что происходит с характеристиками динамика при установке в закрытый ящик? Это зависит от одной-единственной величины - объема ящика. Если объем настолько велик, что динамик его практически не замечает, мы приходим к варианту бесконечного экрана. На практике такая ситуация достигается, когда объем ящика (или другого замкнутого объема, находящегося позади диффузора, а проще говоря, что там скрывать - багажника автомобиля) превышает эквивалентный объем динамика втрое или больше. Если такое соотношение выполняется, резонансная частота и полная добротность системы останутся практически такими же, какими они были у динамика. А значит - их и выбирать надо соответственно. Известно, что акустическая система будет обладать наиболее гладкой частотной характеристикой при величине полной добротности, равной 0,7. При меньших значениях улучшаются импульсные характеристики, но спад частотки начинается довольно высоко по частоте. При больших - частотная характеристика приобретает подъем вблизи резонанса, а переходные характеристики несколько ухудшаются. Если вы ориентируетесь на классическую музыку, джаз или акустические жанры - оптимальным выбором будет несколько передемпфированная система с добротностью 0,5 - 0,7. Для более энергичных жанров не повредит подчеркивание низов, которое достигается при добротности 0,8 - 0,9. И наконец, любители рэпа оттянутся по полной программе, если из система будет обладать добротностью, равной единице или даже выше. Значение 1,2 надо, пожалуй, признать предельным для любого жанра, претендующего на музыкальность.
Надо еще иметь в виду, что при установке сабвуфера в салоне машины происходит подъем низких частот, начиная с определенной частоты, обусловленной размерами салона. Типичные значения для начала подъема АЧХ 40 Гц для большой машины, вроде джипа или мини-вэна; 50 - 60 для средней, вроде восьмерки или "корейки"; 70 - 75 для маленькой, с Таврию.
Теперь ясно - для установки в режиме бесконечного экрана (или Freeair, если вас не смущает, что последнее название запатентовано Stillwater Designs) нужен динамик с полной добротностью не ниже 0,5, а то и выше и резонансной частотой никак не ниже герц эдак 40 - 60, в зависимости от того, во что будете ставить. Такие параметры обычно означают довольно жесткий подвес, только это и спасает динамик от перегрузки в условиях отсутствия "акустической поддержки" со стороны закрытого объема. Вот пример - фирма Infinity выпускает в сериях Reference и Kappa варианты одних и тех же головок с индексами br (bass reflex) и ib (infinite baffle).Параметры Тиля-Смолла, например, у десятидюймовой Reference различаются так:
Параметр T/S 1000w.br 1000w.ib
Fs 26 Гц 40 Гц
Vas 83 л 50 л
Видно, что вариант ib по резонансной частоте и добротности - готовенький для работы "как есть", а судя и по частоте резонанса и по эквивалентному объему - эта модификация намного жестче другой, оптимизированной для работы в фазоинверторе, а, значит, более вероятно выживет в нелегких условиях Freeair.
А что случится, если, не обратив внимания на маленькие буковки, вы загоните в эти условия похожий, как две капли воды динамик с индексом br? А вот что: из-за низкой добротности частотная характеристика начнет заваливаться уже на частотах около 70 - 80 Гц, а ничем не сдерживаемая "мягкая" головка будет себя чувствовать очень неуютно на нижнем краю диапазона, причем перегрузить ее там - проще простого.
Итак, договорились:
Для применения в режиме "бесконечного экрана" надо выбирать динамик с высокой полной добротностью (не меньше 0,5) и резонансной частотой (не ниже 45 Гц), уточнив эти требования в зависимости от типа преимущественного музыкального материала и размера салона.
Теперь о "небесконечном" объеме. Если поставить динамик в объем, сопоставимый с его эквивалентным объемом, система приобретет характеристики, существенно отличающиеся от тех, с которыми в эту систему явился динамик. Прежде всего при установке в закрытый объем возрастет резонансная частота. Жесткость-то увеличилась, а масса - осталась прежней. Возрастет и добротность. Судите сами - приставив в помощь жесткости подвеса жесткость небольшого, то есть неподатливого воздушного объема, мы тем самым как бы поставили вторую пружину, а амортизатор оставили старый.
С уменьшением объема добротность системы и ее резонансная частота растут одинаково. Значит, если мы увидели динамик с добротностью, скажем, 0,25, а хотим иметь систему с добротностью, скажем, 0,75, то резонансная частота тоже увеличится втрое. А какая она там у динамика? 35 Гц? Так значит, в правильном, с точки зрения формы частотной характеристики, объеме она окажется 105 Гц, а это, знаете ли, уже не сабвуфер. Значит - на подходит. Вот видите, и калькулятор не понадобился. Смотрим другой. Резонансная частота 25 Гц, добротность 0,4. Получается система с добротностью 0,75 и частотой резонанса где-то около 47 Гц. Вполне достойно. Попробуем тут же, не отходя от прилавка, прикинуть, какого объема понадобится ящик. Написано, что Vas = 160 л (или же 6 cu.ft, что более вероятно).
(Тут бы формулу написать - она простенькая, но нельзя - обещал). Поэтому для расчетов у прилавка дам шпаргалку: скопируйте и положите в бумажник, если покупка басового динамика входит в планы вашего шопинга:
Резонансная частота и добротность возрастут в Если объем ящика составляет от Vas
1,4 раза 1
1,7 раза 1/2
2 раза 1/3
3 раза 1/8
У нас - примерно вдвое, так что получается ящичек объемом литров 50 - 60. Многовато будет….Давайте следующий. И так далее.
Получается, что для того, чтобы вышло мыслимое акустическое оформление, параметры динамика мало того, что должны находиться в каком-то определенном коридоре значений, но еще и быть увязаны между собой.
Эту увязку опытные люди свели в показатель Fs/Qts.
Если величина Fs/Qts составляет 50 или меньше, динамик рожден для закрытого ящика. Необходимый объем ящика при этом будет тем меньше, чем ниже Fs или чем меньше Vas.
По внешним данным "прирожденных затворников" можно узнать по тяжелым диффузорами и мягким подвесам (что дает низкую резонансную частоту), не очень большим магнитам (чтобы добротность была не слишком низкой), длинным звуковым катушкам (поскольку ход диффузора у динамика, работающего в закрытом ящике, может достигать довольно больших значений).
Фазоинвертор
Другой тип популярного акустического оформления - фазоинвертор, при всем горячем желании у прилавка посчитать нельзя, даже приблизительно. Но прикинуть пригодность для него динамика - можно. А про расчет мы вообще будем говорить отдельно.
Резонансная частота системы этого типа определяется уже не одной только резонансной частотой динамика, но и настройкой фазоинвертора. Это же относится и к добротности системы, которая может существенно меняться с изменением длины тоннеля даже при неизменном объеме корпуса. Поскольку фазоинвертор может быть, в отличие от закрытого ящика, настроен на частоту, близкую или даже ниже, чем у динамика, собственной резонансной частоте головки "позволено" быть выше, чем в предыдущем случае. Это означает, при удачном выборе, более легкий диффузор и, как следствие, улучшение импульсных характеристик, в чем фазоинвертор нуждается, поскольку его "врожденные" переходные характеристики не из лучших, хуже, чем у закрытого ящика, по крайней мере. Зато добротность желательно иметь возможно ниже, не больше 0,35. Сводя это в тот же показатель Fs/Qts, формула выбора динамика для фазоинвертора выглядит просто:
Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше.
Внешние признаки фазоинверсной породы: легкие диффузоры и мощные магниты.
Бандпассы (совсем коротко)
Полосовые громкоговорители, при всех своих громких достоинствах (это в смысле наибольшей эффективности, в сравнении с другими типами) - наиболее сложны в расчете и изготовлении, а согласование их характеристик с внутренней акустикой автомобиля при недостаточном опыте может превратиться в кромешный ад, поэтому с этим видом акустического оформления лучше идти по камушкам и воспользоваться рекомендациями изготовителей динамиков, хоть это и связывает руки. Однако, если руки все же находятся в развязанном состоянии и чешутся попробовать: для одиночных бандпассов подходят практически те же динамики, что и для фазоинверторов, а для двойных или квазиполосовых - они же или, что более желательно, головки с показателем Fs/Qts равным 100 и выше.
Полезные темы:
19.01.2006 15:47 # 0+
Если Вы впервые на нашем Форуме:
- Обратите внимание на список полезных тем в первом сообщении.
- Термины и наиболее популярные модели в сообщениях подсвечиваются быстрыми подсказками и ссылками на соответствующие статьи в МагВикипедии и Каталоге.
- Для изучения Форума не обязательно регистрироваться - практически весь профильный контент, включая файлы, картинки и видео, открыты для гостей.
С наилучшими пожеланиями,
Администрация Форума автозвука МагнитолаЭто группа параметров, введенных A.N. Thiele и позднее R.H. Small, при помощи которых можно полностью описать электрические и механические характеристики средне - и низкочастотных головок громкоговорителей, работающих вкомпрессионной области, т.е. тогда, когда в диффузоре не возникают продольные колебания и его можно уподобить поршню.
Fs (Гц) - частота собственного резонанса головки громкоговорителя в открытом пространстве. В этой точке ее импеданс максимален.
Fc (Гц) - частота резонанса акустической системы для закрытого корпуса.
Fb (Гц) - частота резонанса фазоинвертора.
F3 (Гц) - частота среза, на которой отдача головки снижается на 3 dB.
Vas (куб.м) - эквивалентный объем. Это возбуждаемый головкой закрытый объем воздуха, имеющий гибкость, равную гибкости Cms подвижной системы головки.
D (м) - эффективный диаметр диффузора.
Sd (кв.м) - эффективная площадь диффузора (примерно 50-60% конструктивной площади).
Xmax (м) - максимальное смещение диффузора.
Vd (куб.м) - возбуждаемый объем (произведение Sd на Xmax).
Re (Ом) - сопротивление обмотки головки постоянному току.
Rg (Ом) - выходное сопротивление усилителя с учетом влияния соединительных проводов и фильтров.
Qms (безразмерная величина) - механическая добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qes (безразмерная величина) - электрическая добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические потери.
Qts (безразмерная величина) - полная добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Qmc (безразмерная величина) - механическая добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qec (безразмерная величина) - электрическая добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические потери.
Qtc (безразмерная величина) - полная добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Ql (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая потери перетекания.
Qa (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая потери поглощения.
Qp (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая прочие потери.
N0 (безразмерная величина, иногда %) - относительная эффективность (К.П.Д.) системы.
Cms (м/Н) - гибкость подвижной системы головки громкоговорителя(смещение под воздействием механической нагрузки).
Mms (кГ) - эффективная масса подвижной системы (включает массу диффузора и колеблющегося вместе с ним воздуха).
Rms (кГ/с) - активное механическое сопротивление головки.
B (Тл) - индукция в зазоре.
L (м) - длина проводника звуковой катушки.
Bl (м/Н) - коэффициент магнитной индукции.
Pa - акустическая мощность.
Pe - электрическая мощность.
C=342 м/с - скорость звука в воздухе в нормальных условиях.
P=1.18 кГ/м^3 - плотность воздуха в нормальных условиях.
Le - индуктивность катушки.
BL – значение плотности магнитного потока, умноженный на длину катушке.
Spl – уровень звукового давления в дБ.
Re: Параметры Тиля-Смолла и акустическое оформление динамика.
Классная программа BassBox 6.0 PRO для расчёта акустического оформления динамика 12мб, серийник внутри в файле *.txt:Программа имеет огромную базу данных по параметрам динов большого количества производителей, умеет считать объём с учётом толщины стенок. Вообщем очень удобная.
Параметры Смолла-Тиле
Параметры Смолла-ТилеВплоть до 1970 года не существовало удобных и доступных, принятых в качестве стандартных для всей индустрии методов получения сравнительных данных о работе громкоговорителей. Отдельные тесты, проводимые лабораториями, были слишком дороги и трудоемки. При этом методы получения сравнительных данных о громкоговорителях были нужны как покупателям для выбора нужной модели, так и производителям аппаратуры для более точного описания своей продукции и аргументированного сравнения различных устройств.
Конструкция громкоговорителяВ начале семидесятых на конференции AES был представлен доклад, авторами которого были Невилл Тиле (Neville Thiele) и Ричард Смолл (Richard Small). Тиле был главным инженером по разработкам и развитию в Австралийской вещательной комиссии (Australian Broadcasting Commission). В то время он заведовал Федеральной инженерной лабораторией (Federal Engineering Laboratory) и занимался анализом работы аппаратуры и систем для передачи аудио- и видеосигналов. Смолл учился в аспирантуре Школы инженеров университета Сиднея.
Целью Тиле и Смолла было показать, как выведенные ими параметры помогают подобрать кабинет к конкретному громкоговорителю. Однако в результате получилось, что эти измерения дают значительно больше информации: по ним можно сделать гораздо более глубокие выводы о том, как работает громкоговоритель, чем на основе привычных данных о размере, максимальной выходной мощности или чувствительности.
Перечень параметров, получивших название «Параметры Смолла-Тиле»: Fs, Re, Le, Qms, Qes, Qts, Vas, Cms, Vd, BL, Mms, Rms, EBP, Xmax/Xmech, Sd, Zmax, рабочий диапазон воспроизводимых частот (Usable Freq. Range), номинальная мощность (Power Handling), чувствительность (Sensitivity).Fs
Re
Этот параметр описывает сопротивление громкоговорителя по постоянному току, измеренное с помощью омметра. Его часто называют DCR. Значение этого сопротивления почти всегда меньше номинального сопротивления громкоговорителя, что беспокоит многих покупателей, так как они боятся, что усилитель будет перегружен. Однако, благодаря тому что индуктивность громкоговорителя растет с увеличением частоты, маловероятно, что постоянное сопротивление будет влиять на нагрузку.
Le
Этот параметр соответствует индуктивности звуковой катушки, измеренной в мГн (миллигенри). По установленному стандарту измерение индуктивности производится на частоте 1 кГц. При повышении частоты будет происходить рост полного сопротивления выше значения Re, так как звуковая катушка работает как индуктор. В результате этого полное сопротивление (Impedance) громкоговорителя не является постоянной величиной. Оно может быть представлено в виде кривой, которая меняется с изменением частоты входного сигнала. Максимальное значение полного сопротивления (Zmax) имеет место на резонансной частоте (Fs).
Q-параметры
Vas/Cms
Параметр Vas говорит о том, каким должен быть объем воздуха, который при сжатии до объема в один кубический метр оказывает такое же сопротивление, что и система подвеса (эквивалентный объем). Коэффициент гибкости системы подвеса для данного громкоговорителя обозначается как Cms. Vas является одним из наиболее сложных для измерения параметров, так как давление воздуха изменяется в соответствии с влажностью и температурой и, таким образом, требует для измерения очень высокотехнологичную лабораторию. Cms измеряется в метрах на ньютон (м/Н) и представляет собой силу, с которой механическая система подвеса сопротивляется движению диффузора. Другими словами, Cms соответствует измерению жесткости механического подвеса громкоговорителя. Соотношение Cms и Q-параметров можно сравнить с выбором между повышенным комфортом и улучшенными ходовыми качествами, который делают производители автомобилей. Если рассматривать пики и минимумы аудиосигнала как неровности автомобильной дороги, то система подвеса громкоговорителя аналогична рессорам автомобиля - в идеале она должна выдерживать очень быструю езду по дороге, заваленной крупными валунами.
Vd
Этот параметр обозначает максимальный объем воздуха, который может быть вытолкнут диффузором (Peak Diaphragm Displacement Volume). Он вычисляется путем умножения Xmax (максимальной длины той части звуковой катушки, которая выходит за пределы магнитного зазора) на Sd (площадь рабочей поверхности диффузора). Vd измеряется в кубических сантиметрах. Субвуферы обычно характеризуются самыми высокими значениями Vd.
BL
Выражаемый в тесла на метр, этот параметр характеризует движущую силу громкоговорителя. Другими словами, BL дает понять, насколько большую массу может «поднять» громкоговоритель. Измеряется этот параметр следующим образом: на диффузор воздействует определенная сила, направленная внутрь громкоговорителя, и при этом измеряется сила тока, нужная для того, чтобы противодействовать приложенной силе - масса в граммах делится на силу тока в амперах. Высокое значение параметра BL говорит об очень большой силе громкоговорителя.
Mms
Этот параметр является объединением веса диффузора в сборе и массы воздушного потока, сдвигаемого диффузором громкоговорителя во время работы. Вес диффузора в сборе равен сумме веса самого диффузора, центрирующей шайбы и звуковой катушки. При вычислении массы воздушного потока, смещаемого диффузором, используется объем воздуха, соответствующий параметру Vd.
Rms
Этот параметр описывает потери на механическое сопротивление системы подвеса громкоговорителя. Он представляет собой измерение абсорбирующих качеств подвеса громкоговорителя и измеряется в Н і с/м.
EBP
Этот параметр равен Fs, деленному на Qes. Он используется во многих формулах, связанных с конструированием кабинетов для акустических систем, и в частности, чтобы определить, какой кабинет лучше выбрать для данного громкоговорителя - закрытый или фазионверторной конструкции. Когда значение EBP приближается к 100, это означает, что такой громкоговоритель лучше всего подойдет для работы в фазоинверторном корпусе. В случае, если EBP близок к 50, данный громкоговоритель лучше установить в закрытый корпус. Однако это правило является лишь отправной точкой при создании акустической системы и допускает исключения.
Xmax/Xmech
Параметр определяет максимальное линейное отклонение. Выходной сигнал громкоговорителя становится нелинейным, когда звуковая катушка начинает выходить из магнитного зазора. Хотя и система подвеса может создавать нелинейность в выходном сигнале, искажения начинают значительно увеличиваться в тот момент, когда число витков звуковой катушки в магнитном зазоре начинает уменьшаться. Для определения Xmax нужно вычислить длину части звуковой катушки, вышедшей за пределы верхнего среза магнита, и разделить ее пополам. Этот параметр используется для определения максимального звукового давления (SPL), которое может обеспечить громкоговоритель, сохраняя при этом линейность сигнала, то есть нормированное значение КНИ.
При определении Xmech проводятся измерения длины хода звуковой катушки до возникновения одной из следующих ситуаций: либо разрушается центрирующая шайба, либо звуковая катушка упирается в предохраняющую заднюю крышку, либо звуковая катушка выходит из магнитного зазора, либо начинают играть роль другие физические ограничения диффузора. Наименьшая из полученных длин хода катушки делится пополам и полученное значение принимается за максимальное механическое смещение диффузора.Sd
Этот параметр соответствует площади рабочей поверхности диффузора. Измеряется в см2.
Zmax
Этот параметр соответствует полному сопротивлению громкоговорителя на резонансной частоте.
Рабочий диапазон воспроизводимых частот (Usable frequency range)
Производители используют разные способы для измерения рабочего диапазона частот. Многие методы считаются приемлемыми, однако они приводят к разным результатам. По мере повышения частоты внеосевое излучение громкоговорителя уменьшается пропорционально диаметру. В определенной точке оно становится остронаправленным. В таблице показана зависимость частоты, на которой имеет место этот эффект, от размера громкоговорителя.
File:///C:/Documents%20and%20Settings/artemk01klg/Desktop/1.jpg
Номинальная мощность (Power handling)
Это очень важный параметр при выборе громкоговорителя. Необходимо точно знать, что излучатель выдержит мощность подводимого к нему сигнала. Поэтому нужно подобрать такой громкоговоритель, который сможет с запасом выдержать подводимую к нему мощность. Определяющим критерием того, какую мощность будет иметь громкоговоритель, является его способность отводить тепло. Основными конструктивными особенностями, влияющими на эффективный отвод тепла, являются размер звуковой катушки, размер магнита, вентиляция конструкции, а также высокотехнологичные современные материалы, использованные в конструкции звуковой катушки. Большие размеры звуковой катушки и магнита обеспечивают более эффективное рассеивание тепла, а вентиляция обеспечивает охлаждение конструкции.
При вычислении мощности громкоговорителя помимо способности выдерживать нагрев важны также механические свойства громкоговорителя. Ведь устройство может выдерживать нагрев, возникающий при подведении мощности в 1 кВт, но еще до достижения этого значения оно выйдет из строя из-за конструктивных повреждений: звуковая катушка будет упираться в заднюю стенку или звуковая катушка выйдет из магнитного зазора, диффузор деформируется и т. д. Наиболее часто подобные поломки случаются при воспроизведении слишком мощного НЧ-сигнала на большой громкости. Чтобы избежать поломок, необходимо знать реальный диапазон воспроизводимых частот, параметр Xmech, а также номинальную мощность.Чувствительность (Sensitivity)
Этот параметр является одним из важнейших во всей спецификации громкоговорителя. Он позволяет понять, насколько эффективно и с какой громкостью аппарат будет воспроизводить звук при подведении сигнала той или иной мощности. К сожалению, производители громкоговорителей используют разные методы для вычисления этого параметра - единого установленного не существует. При определении чувствительности измеряют уровень звукового давления на расстоянии одного метра при подведении к громкоговорителю мощности 1 Вт. Проблема состоит в том, что иногда расстояние в 1 м рассчитывается от пылезащитного колпачка, а иногда от подвеса громкоговорителя. Из-за этого определить чувствительность громкоговорителей бывает довольно сложно.
Взято с
- 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
В этом году в журнале Американского акустического общества ученые Jiajun Zhao, Likun Zhang и Ying Wu опубликовали статью “Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances” о своём изобретении, которое увеличивает звуковую мощность волн НЧ диапазона благодаря резонансам. Судя по отчету исследователей, изобретенный ими и изготовленный на 3D принтере пластиковый корпус диаметром 10 см способен увеличить звуковую мощность низкочастотного динамика в 200 раз.
Традиционно для повышения громкости (звукового давления) используют увеличение мощности сигнала, а в случае с низкими частотами и большую площадь излучения. У этих классических способов есть очевидные недостатки - большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. В связи с этим повышение звукового давления за счет акустического оформления стало популярной практической проблемой. Разработчиками движет желание максимально увеличить мощность и сохранить небольшой объём. С традиционными АС такого эффекта достигли благодаря фазоинвертору. Теперь пришла очередь портативного аудио. Под катом несколько слов об инновации и вероятных перспективах её развития, а также о ложке дёгтя в бочке радужных перспектив.
Свежий взгляд или хорошо забытое старое
Реализация достаточно смелой идеи продиктована необходимостью. Обилие портативной техники требует решений, в которых акустическое оформление с большим объемом применить невозможно, при этом потребитель хочет “много низа”. Таким образом, решение, предложенное учеными, вероятно будет востребовано для смартфонов, портативных переносных колонок, док-станций.При этом известно, что разработки такого рода велись с конца 19 столетия (опыты Гельмгольца) до 20-х годов прошлого века, т.е до времени, когда пассивные средства повышения звукового давления могли конкурировать с электроакустическими. Так появилось рупорное акустического оформление.
Об исторической преемственности писали авторы статьи “Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity”, положенной в основу описываемого изобретения. Можно утверждать, что попав в ситуацию, где электрические средства исчерпали ресурс эффективности, разработчики вспомнили о времени, когда рупорное оформление громкоговорителей было лидирующим трендом.
Идея и результат
Идея заключалась в том, чтобы значительно увеличить амплитуду звуковых волн, излучаемых низкочастотным динамиком, при этом отказаться от традиционного повышения мощности усилителя и увеличения размеров излучателя. Дополнительной целью было сохранить диаграмму направленности, т.к. классический рупор её меняет. Для реализации идеи ученые воспользовались резонансными модами, которые формировались с использованием либиринтообразного акустического оформления.Если говорить просто, то разработчики применили принцип, который можно наблюдать, поместив источник звука (например, смартфон) в кружку. Звук усиливается, так как кружка становится резонансной камерой.
Тут принцип близок, но вместо единой полости использованы специально рассчитанные лабиринты, позволяющие избирательно усилить НЧ диапазон.
Разработчик Ying Wu в одном из интервью описал принцип действия следующим образом:
“Through the resonance of the air inside the channels, a lot more of the electric power of the source is converted to sound power than would otherwise be the case."“Резонанс воздуха в каналах позволяет получить большую звуковую мощность, чем без них (каналов -прим.авт.) при равном расходе электроэнергии”
A realistic structure for emission enhancementА) Конструкция выполнена из жестких материалов (серая часть), где заполненные воздухом спиральные каналы удлиняют путь звука (красная линия), чтобы уменьшить его эквивалентную скорость в радиальном направлении вдоль жестких стенок каналов (азимутальная анизотропия ρθ→ ∞ρθ→∞).
b) Фазовое распределение звуковых полей, излучаемых из источника монополя, имитирующее на трех резонансных частотах (см. Фиг.2 (с)].
c) То же, что и b), но для дипольного источника. (d, e) Сравнение направленности дальнего поля с оболочкой и без, моделируемой для самого низкого резонанса в b) и c), соответственно.
Как видно на рисунке, от центра круглого корпуса десятисантиметрового устройства, где размещен динамик, отходят лабиринтные ходы, которые обеспечивают возникновение резонансных мод, и а соответственно пассивно повышают звуковую мощность определённых частот. Важно учесть, шкала дБ является логарифмической , соответственно, двухсоткратное повышение мощности приведет к повышению звукового давления приблизительно на 20 дБ. Один из авторов, писавших на эту тему, сравнил 20 дБ с восемью делениями на шкале громкости айфона.
В результате сравнительных и контрольных измерений оказалось, что применение конструкции действительно позволяет усилить звуковую мощность в НЧ диапазоне в 200 раз. Конструкция также позволяет существенно не изменять диаграмму направленности, что было бы невозможно при использовании классических рупорных систем. Более подробно ознакомиться с результатами эксперимента можно в статье, которая опубликована в открытом доступе .
Очевидно, что полученный результат (в случае удачного развития событий для этой инновации, о которой в следующем разделе) может использоваться при создании портативной беспроводной акустики, мобильных гаджетов, наушников.
Статья теоретически доказывает возможность резонансного повышения мощности в 200 раз, приводит формулы и сравнительные измерения, но, как в старом анекдоте, есть нюанс…
Резонанс как закадычный враг
Усиление НЧ за счет резонансов имеет ряд особенностей, которые затрудняют использование этого метода при создании аппаратуры высокой верности воспроизведения. Многим хорошо известно пагубное влияние этого способа на качество звука по фазоинверторному акустическому оформлению АС. При использовании фазоинвертора усиление низких также достигается благодаря резонансу, разница лишь в том, что при таком форм факторе фазоинвертор менее результативен нежели лабиринт.Неоднозначность использования резонансов для повышения мощности НЧ подробно описано в статье “Великий низкочастотный обман” , опубликованную журналом Show Master, любезно переведенную www.sound-consulting.net .
Как писали в упомянутой выше статье, резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно, а соответственно, возникают задержки. Учитывая количество отражений в представленной лабиринтной резонансной системе, можно предположить, что эти задержки будут выше чем в аналогичной с фазоинвертором или классическим закрытым ящиком.
Таким образом, используя резонансное усиление, мы можем получить значительно больше низа, при этом ухудшаются импульсные характеристики. Кроме того, не известно вносит ли такая система искажения, шумы и пр. (исследование не содержит сравнения по искажениям до и после использования нового акустического оформления).
Перспективы применения
При исключении всех гипотетически вероятных проблем, инновация сможет изменить многое. Сохранение свойств при уменьшении габаритов позволит применять такое акустическое оформление в смартфонах, что существенно увеличит громкость. Использование с портативными беспроводными колонками позволит снизить энергопотребление, а значит увеличить длительность работы портативных устройств.Итог
Искренне надеюсь на живую и продуктивную дискуссию относительно перспектив лабиринта. Для собственных выводах о судьбе изобретения мне не хватает информации. Традиционно предлагаю принять участие в опросе и высказать своё мнение относительно изобретения.Джинса
Вынудили меня взяться за перо. Сразу же оговорюсь, что я не ставлю цель быть судьей в последней инстанции, а просто решил свести в одно место различные варианты улучшения (и не совсем улучшения) ВЧ динамиков. При этом будут рассматриваться только варианты, связанные с понижением частоты основного резонанса. Выравнивание АЧХ и прочие улучшения в рассмотрение не принимаем.
Определим для себя некоторые критерии для оценки перспектив улучшения:
- Улучшение не должно изменять внешний вид динамика.
- В случае неудачного результата должна быть возможность отката на начальные позиции.
- Вносимые изменения не нарушают аутентичность АС.
- Хорошая повторяемость улучшения без значительных материальных затрат и необходимости проведения дополнительных измерений. Изменения должны быть продуманы с инженерной точки зрения – сделал и забыл.
- Модернизация не должна завершиться потерей динамика.
На сегодняшний момент мне известно 5 вариантов решения проблемы резонанса:
- Способ утонения диска подвеса.
- Способ перфорации по .
- Способ перфорации с применением иглы.
- Увеличение внутреннего диаметра колец.
- Использование фильтра, настроенного на частоту резонанса.
О каждом из сказано ниже в большей или меньшей степени.
В качестве более полного восприятия, на изображенном рисунке обозначены (начиная со средины):
- Синее поле- купол динамика.
- Сплошная синяя линия- внешняя граница гофра
- Зеленые окружности- опорные кольца
- Способ утонения диска подвеса
1. Способ утонения диска подвеса
Суть способа заключается в том, что осторожно соскабливается некоторый объем вещества с подвеса. В результате повышается гибкость подвеса и, как следствие, снижается частота резонанса. Рекомендуется для «шелковых» мембран. Для изделий из пластика утонение делать сложнее. Ширину утонения можно брать от внутреннего зеленого кольца (внутренний диаметр опорных колец) и до внешней границы гофра(синяя сплошная линия)- это идеальный вариант. На практике, сделать такую процедуру подручными средствами невозможно. Поэтому, будет технологичнее сделать утонение от края подвеса и до некой условной линии (на схеме синяя штрих-пунктирная)
За . Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде.
Против . Если сделать неравномерный съем материала, может нарушиться динамическая балансировка катушки в магнитном зазоре, могут появиться перекосы. Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.
Способ понижения частоты с помощью перфорации по своей сути не нов. Есть заводские импортные динамики, в которых используется этот способ. Применим к мембранам любого типа. Главная проблема этого способа – что делать с образовавшимися отверстиями и как минимизировать возможное их влияние на звуковую картинку. И второй момент, нарушается герметичность МС. Делать перфорацию я порекомендовал не выходя за пределы внутреннего диаметра кольца более, чем на 1,5 мм. А лучше в пределах ширины колец, чем обеспечится полная герметичность динамика при достигнутом снижении жесткости подвеса. Если же делать перфорацию на большую ширину, то думаю, что можно образовавшиеся отверстия заклеить кольцом из скотча, наклеив его по внешней поверхности.
За . Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде, если не считать перфорации.
Против : Процесс необратим. Перфорацию нужно проводить аккуратно, в пределах очерченных габаритов и с соблюдением симметрии. (если не прав, автор идеи поправит) Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.
3. Перфорация иголкой
Этот метод не нов, вычитал его еще в далекие 80-е в каком то журнале. Там рассматривался способ изготовления самодельного динамика для радиоприемника.
Суть метода заключается в том, что по окружности, начиная впритык к крепежным кольцам, в подвесе делаются отверстия иглой для шитья через определенное расстояние(на рисунке эти проколы условно изображены желтыми-оранжевыми точками). Затем отступив, примерно 1 мм, делается второй круг отверстий, но уже со сдвигом. Таких окружностей можно сделать 3-5.
Данный способ хорош для «шелковых» мембран – микроворсистость нитей перекрывает отверстия и, по сути динамик сохраняет свою герметичность.
За . Многочисленность проколов компенсирует ошибки при нарушении симметрии нанесения проколов, не нарушается герметичность динамика. Повторяемость выше среднего. Не требуется высокой квалификации, достаточно острого зрения и прямых рук.
Против . Процесс необратим. Для пластиковых мембран потребуется делать прожигание.
4. Увеличение внутреннего диаметра крепежных колец
В обсуждении указанной выше статьи я предлагал, как вариант, сделать кольца уже, что должно было бы снизить резонанс за счет увеличения гибкости подвеса. Правда, гложили меня смутные сомнения в этом вопросе. Однако порывшись в интернете, я обнаружил на одном из форумов, что идея с кольцами уже применялась! Люди обсуждали это в далеком уже 2010 году. И что самое поразительное, как указывает экспериментатор, проводивший сей эксперимент, достаточно, примерно, на 1 мм увеличить внутренний диаметр колец, чтобы частота резонанса ушла на 1,5 кГц! Таким образом, если изначальную ширину кольца (две зеленые окружности) уменьшить путем увеличения внутреннего диаметра (штриховая линия), то вопрос резонансной частоты решается в приемлемом диапазоне.
Дешево и сердито!
Думаю, что тут можно было бы поэкспериментировать и с материалом для колец: кожа, резина, ткани и другие эластичные материалы.
За и против
