Определить параметры тиля смолла. Параметры Тиля – Смолла. А именно что такое: Fs, Qes, Qms, Qts, Vas. Тиль и Смолл
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 и обещал, хочу рассказать как я измерял параметры Тиля-Смолла .Для начала давайте разберемся, что же это за параметры такие и зачем их нужно измерять.
«Параметры Тиля - Смолла » - это набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки в области низких частот. Зная эти параметры можно принимать решение о типе корпуса сабвуфера, его размерах и компонентах для конкретного динамика. Как правило, ответственные производители динамических головок дают в инструкции параметры Тиля-Смолла(далее Т-С) и рекомендации об объеме корпуса сабвуфера.
Мой подопытный - десятидюймовый динамик Mystery mjs-10.
Производитель обещает следующие характеристики:
Частота основного резонанса
(Fs
), Гц 39.25
Полная добротность
(Qts
) 0.5
Эквивалентный объем
(VAS
), л 28.68
Наиболее важными параметрами для расчета корпуса, являются полная добротность и частота основного резонанса.
Поскольку я решил делать саб с этой головкой, то я позволил себе усомниться в показателях и произвести замер параметров Т-С самостоятельно.
Сделать это не так сложно как может показаться на первый взгляд. Мне понадобились:
1.Компьютер со звуковой картой.
2.Усилитель звука.
3.Резистор (сопротивление) номиналом 1кОм.
4.Динамик, конечно же.
5.Вольтметр, обязательно цифровой, способный показывать до 3 знаков после запятой.
6. генерирующая звуковые сигналы
Из всего этого собрал такую схему:
На рисунке: 1-Компьютер; 2-Усилитель; 3-Резистор(1Ком);4-Динамик;
. Подвесил динамик, так чтобы он по возможности находился на равном удалении от стен, пола и потолка. Честно говоря, сначала я не подвешивал динамик, а провел измерения положив динамик на подушку в центре комнаты. Получив показатели которые меня обескуражили, я все же подвесил динамик. Показатели слегка изменились, правда не настолько чтобы как-то повлиять на конечный результат. Может квартира маленькая? Как бы там ни было подвешивать НАДО, ради чистоты эксперимента.
Запустил программу, выставил частоту 1000Гц. Поиграв частотой, я понял, что это неплохое оружие против соседей - захотите неявно досадить им, достаточно выставить в программе герц 20-40, поднять нужную громкость и уйти из дома на часок другой. В квартире все начинает дребезжать, при казалось бы полном отсутствии звука.
Вольтметр установил в режим измерения переменного напряжения
(!).
Подключил его к точкам А
и С
и, регулируя громкость на усилителе, установил напряжение равным 10-20 Вольт.
Вольтметр подключил к динамику, точки В и С , частоту в программе выставил 10Гц
Измерения заключаются в фиксировании напряжения, которое будет меняться от частоты, а оно будет меняться, я вас уверяю.
Частота на которой напряжение было максимально и есть Резонансная частота динамика Fs. Чтобы не запоминать всякие напряжения, я решил составить график, хотя, если вы уловите суть, это не обязательно. Итак выставил 10Гц, измерил напряжение, записал. Выставил 11Гц, измерил, записал. Ну и так далее. После того как вы найдете Fs(на вольтметре увидели максимальное значение), напряжение начнет падать с увеличением частоты. Затем пройдя определенный минимум оно начнет незначительно подниматься, вот тут и можно останавливаться. У меня это случилось на 90Гц.
График:
Получаем:
Fs
- резонансная частота = 45Гц
Us
- соответствующее Fs напряжение = 0.498в
Um
- минимальное напряжение = 0.131в
Для расчета величины U12 воспользуемся .
U12
= (Us*Um)^0.5 = 0.25542в
Теперь необходимо найти частоту среза для U12, другими словами найти на графике частоты F1 и F2 в местах пересечения графика для напряжения U12
F1
= 36.5Гц
F2
= 54Гц
Еще раз переходим на страничку и вносим полученные значения.
На выходе получил:
Qa
- акустическая добротность = 5.014
Qe
- электрическая добротность = 1.790
Qts
- полная добротность = 1.318
Надо ли говорить, что я был мягко говоря обескуражен от того, что полученная добротность отличается от декларируемой больше чем в два раза! Частота основного резонанса также не порадовала. Она оказалась практически на грани допустимого для сабвуферного динамика, будь она больше 50Гц, ни о каком сабвуфере и говорить бы не пришлось.
Осталось определиться с типом аккустического оформления сабвуфера, т.е. выбрать между типами "Закрытый ящик
", "Фазоинвертор
" и "Бандпасс
", более экзотические в расчет не беру. Помогает определиться коэффициент Fs/Qts.
Если он меньше 50, то такой динамик предназначен для работы в корпусах "Закрытый ящик
"(мой вариант), если больше 100 - "Фазоинвертор
" или "Бандпасс
" без вариантов, если между 50 и 100 - надо обратить внимание на другие показатели, посмотреть в программах WinISD
и SpeakerShop
какая будет рисоваться АЧХ и сделать выбор между "Фазоинвертором
" и "Бандпассом
" .
«Параметры Тиля - Смолла» - это набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки (динамика) в области низких частот. Эти параметры публикуются в спецификациях производителями как справочные для производителей акустических систем. Большинство параметров определяются только на резонансной частоте динамика, но в общем применимы во всем диапазоне частот, в котором динамик работает в поршневом режиме.
Fs - Резонансная частота динамической головки.
Qes - Электрическая добротность на частоте Fs.
Qms - Механическая добротность на частоте Fs.
Qts - Полная добротность головки на частоте Fs.
Рассмотрим каждый параметр по отдельности:
Fs - Резонансная частота динамической головки.
fs: Driver free air resonance.
fs: основной резонанс динамической головки (так же еще называют резонанс в открытом воздухе -без оформления)
Можно сказать что это условия при которых все движущиеся части динамической системы синхронизированы или входят в резонанс. Резонанс довольно сложно объяснить, проще понять это явление если попросту сказать что очень тяжело получить с помощью динамика частоту ниже частоты его основного резонанса.
К примеру грубо говоря динамик с частотой основного резонанса (fs: Driver free air resonance) = 60 Hz (Гц), не будет воспроизводить частоту в 35 Hz (Гц) очень хорошо.
Динамик же с частотой основного резонанса (fs: Driver free air resonance) = 32 Hz (Гц), будет воспроизводить частоту в 35 Hz (Гц) довольно уверенно, если ваше акустическое оформление будет настроено на воспроизведение столь низких частот. Эти два объяснения очень хорошо подходят для выбора динамика для оформления ФИ (фазинвертер), ЗЯ (Закрытый Ящик) и band-pass (банд пасс). В случае рупорного сабвуфера этот параметр не столь критичен, так как там динамик скорее используется как поршень, а частоту создает само оформление сабвуфера в виде рупора. Резонансная частота – это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется – динамик подвешивают в воздухе на наибольшем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик – массы подвижной системы и твердости подвески.Существует мысль, что чем ниже резонансная частота, тем лучше выйдет сабвуфер. Это верно только частично, для некоторых конструкций лишняя низкая частота резонанса – препятствие. Для ориентира: низкая – это 20 – 25 Гц. Ниже 20 Гц – редкость. Выше 40 Гц – считается высокой, для сабвуфера.
Qms - Механическая добротность на частоте Fs
Qms: Driver mechanical Quality
Qms: Механическая добротность динамика
Qms - механическая добротность динамика, дает представление о всех механических параметрах динамика вместе. Это выражение контроля создаваемого жесткостью подвеса.
Qts - Полная добротность головки на частоте Fs
Qts: Driver total Quality.
Qts: Общая добротность динамика
Иногда в этом параметре опускается буква Q, так как Это сокращение слова (качество - добротность). Итак Qts это общая добротность динамика, которая включает в себя электрическую и механическую добротность. Qts - дает нам понять, насколько сильна моторная (магнитная) система динамика. Динамики с малой общей добротностью системы (около 0,20(будут иметь большой магнит и смогут двигать диффузор динамика с большой силой. Это делается для тугих (жестких) динамиков. Динамик с Qts = 0,45 будут иметь меньший магнит и соответственно меньшую силу для движения диффузора. Таким образом низкое значение Qts дает сильный (жесткий, плотный) и острый звук, но с малым весом или низким басом и большим Qts получается протяжный и сильный звук который дает вам очень много низкочастотного давления. Остерегайтесь динамиков с большим Qts, более 0,6. Для нормальной работы таких динамиков вам потребуются огромные акустические оформления (короба), так как с нормальными (реально разумными) размерами акустического оформления вы не получите от этих динамиков много басовой составляющей. Такие динамики лучше использовать в задней полке вашего авто, где они получат много свободного пространства за своей спиной. Qts (общая добротность динамика) состоит из електрической добротно Q (Qes) и механической добротности Q (Qms)
Qms рассчитывается как
Fs sqrt(Rc)
Qms = ----------------
f2 - f1
Динамик с большой мехнической добротностью Qms может играть более открыто, чище и иметь больший динамический диапазон. Потому что такие динамики будут иметь меньшие потери. Резиновый круговой подвес более гибкий, бумажный подвес, который является частью дииффузора более конструктивен, они имеют больший воздушный поток и обычно соответственно большую чувствительность. Таким образом механическая добротность очень хороший индикатор енергетического запаса динамика.
Qts это всего лишь произведение Qes и Qms и понимания что означают эти величины, очень важно при конструировании акустических систем.
Qts Vas и fs все что нужно для вычисления размеры вашего будущего акустического оформления (короба), со временем когда вы перейдете на более профессиональный уровень конструирования, такие величины как Qes и Qms станут для вас необходим условиям для последующей работы.
Добротность – не качество изделия, а соотношение упругих и грузлых сил, которые существуют в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Подвижная система динамика во много почему то же что и подвеска автомобиля, где есть пружина и амортизатор. Пружина создает упругие силы, то есть накапливает и отдает энергию в процессе колебаний, а амортизатор – источник грузлого сопротивления, оно ничего не накапливает, а поглощает и рассеивает в виде тепла. То же происходит при колебаниях диффузора и всего, что к нему прикреплено. Высокое значение добротности значит, что преобладают упругие силы. Это – как автомобиль без амортизаторов. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Прыгать на той же резонансной частоте, что свойственная этой колебательной системе. Относительно громкоговорителя это означает выбросы частотной характеристики на частоте резонанса, тем больший, чем выше полная добротность системы.Наивысшая добротность, измеряемая тысячами, – у звука, что в итоге 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 другое как измерение добротности подвески «кустовым» способом. Если теперь привести подвеску в порядок, то есть прицепить параллельно пружине амортизатор, накопленная при сжатии пружины энергия уже не вся вернется назад, а частично будет затеряна амортизатором. Это – снижение добротности системы. Теперь опять вернемся к динамику. Ничего, что мы сюда ходим? Это, говорит что, с пружиной у динамика все, вроде бы, ясно. Это – подвеска диффузора. А амортизатор? Амортизаторов – целых два, что работают параллельно. Полная добротность динамика состоит из двух: механической и электрической.Механическая добротность определяется главным образом выбором материала подвеса, причем в основном – шайбы, которая центрирует, а не внешнего гофра, как иногда думают. Больших потерь здесь обычно не бывает и взнос механической добротности в полной мере не превышает 10 – 15%. Основной взнос принадлежит электрической добротности.Самый твердый амортизатор, который работает в колебательной системе динамика, – это ансамбль из звуковой катушки и магниту. Будучи по своей природе электромотором, он как и годится мотору, может работать как генератор и именно этим и занятый вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда перемещения звуковой катушки – максимальны.Двигаясь в магнитном поле, катушка производит ток, а нагрузкой для такого генератора служит исходное сопротивление усилителя, то есть практически – нуль. Выходит такой же электрический тормоз, которым поставляются все электрички. Там тоже при торможении тяговые двигатели вынуждают работать в режиме генераторов, а нагрузка их – батареи тормозных сопротивлений на крыше. Величина производимого тока будет, природнее, тем более, чем сильнее магнитное поле, в котором двигается звуковая катушка. Выходит, что чем больше магнит динамика, тем ниже, при других ровных, его добротность. Но, конечно, поскольку в формировании этой величины принимают участие и длина проведения обмотки, и ширина зазора в магнитной системе, окончательный вывод только на основании размера магниту было бы делать преждевременно. А предыдущий – почему нет?- Базовые понятия – рядом считается полная добротность динамика меньше 0,3 – 0,35; высокой – больше 0,5 – 0,6.
Vas - Эквивалентный объем (объем воздуха (в м?), который, при воздействии на него поршня площадью Sd, обладает гибкостью, равной гибкости подвеса).
Vas: Volume of air equal to the driver compliance.
Vas: Эквивалентный объем динамика
Он дает понятие о том насколько тугой подвес у динамика. Значение дается в литрах или в кубических дюймах. Есть много параметров влияющих на Эквивалентный объем, так что мы не можем сказать что большое значение параметра Vas лучше. На еквивалентный обхем влияет подвес динамика, размер диффузора и даже температура воздуха. Это самый трудно определяемы параметр. Его значимость труднее всего оценить.Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе «акустического подвеса». Концепция акустического подвеса заключается в установке динамика в такой объем воздуха, упругость которого сравнимая с упругостью подвеса динамика. При этом выходит, что в параллель к уже имеющейся в подвеске пружине поставили еще одну. Эквивалентным объем будет при этом такой, при котором новая пружина, которая появилась, равняется по упругости той что была. Величина эквивалентного объема определяется твердостью подвеса и диаметром динамика. Чем мягче подвес, тем более будет величина воздушной подушки, присутствие которой начнет тревожить динамик.То же происходит с изменением диаметра диффузора. Большой диффузор при том же сдвиге будет сильнее сжимать воздух внутри ящика, тем самым испытывая большую соответствующую силу упругости воздушного объема. Именно это обстоятельство чаще всего 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. У эквивалентного объема интересны семейные связки с резонансной частотой, без осознания которых легко промахнуться. Резонансная частота определяется твердостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем – диаметром диффузора и той же твердостью.
В итоге возможна такая ситуация: допустимо, есть две динамика одинакового размера и с одинаковой частотой резонанса. Но только в одно из них это значение частоты вышло в результате тяжелого диффузора и жесткой подвески, а в другое – наоборот, легкого диффузора на мягком подвесе. Эквивалентный объем у такой парочки при всем внешнем сходстве может различаться очень существенно, и при установке в тот же ящик результаты будут драматично разными.
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:
|
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.