Измерение параметров Тиля-Смолла в домашних условиях

Вот решил сам написать статью, весьма важную для акустиков. В этой статье хочу описать способы измерения самых важных параметров динамических головок — параметры Тиля-Смолла.

Помните! Приведенная ниже методика измерения параметров Тиля-Смолла в домашних условиях действенна только для измерения параметров Тиля-Смолла динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц (т.е. низкочастотных динамиков), на более высоких частотах погрешность возрастает.

Самыми основными параметрами Тиля-Смолла, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (проще говоря — ящик) являются:

Резонансная частота динамика Fs (Герц)
Эквивалентный объем Vas (литров или кубических футов)
Полная добротность Qts
Сопротивление постоянному току Re (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

Механическую добротность Qms
Электрическую добротность Qes
Площадь диффузора Sd (м2) или его диаметр Dia (см)
Чувствительность SPL (dB)
Индуктивность Le (Генри)
Импеданс Z (Ом)
Пиковую мощность Pe (Ватт)
Массу подвижной системы Mms (г)
Относительную жесткость (механическая гибкость) Cms (метров/ньютон)
Механическое сопротивление Rms (кг/сек)
Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL (Тесла*м)

Большинство параметров Тиля-Смолла может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень. Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу.

Автор этого «труда» не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников — как иностранных, так и российских.

Измерение параметров Тиля-Смолла Re, Fs, Fc, Qes, Qms, Qts, Qtc, Vas, Cms, Sd, Mms.

Для проведения измерений параметров Тиля-Смолла вам понадобится следующее оборудование:

Вольтметр.
Генератор сигналов звуковой частоты. Подойдут программы-генераторы, которые генерируют необходимые частоты. Типа Marchand Function Generator или NCH tone generator. Так как дома не всегда можно найти частотомер, можно вполне доверится этим программам и Вашей звуковой карте, установленной на компьютере.
Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом.
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом.
Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Рис. 1. Схема для измерений параметров Тиля-Смолла

Измерение T-S параметров динамика с помощью компьютера.

Те, кто занимался расчетом акустического оформления, встречались с параметрами Тиля-Смолла. Чтобы, например, рассчитать акустическое оформление для динамика, необходимо знать минимум 3 основных параметра:

Vas – эквивалентный объем;

Qts – полная добротность;

Fs – резонансная частота.

Большинство производителей не указывают эти параметры, а пишут на коробках всякие красивые цифры и прочую «ерунду», мало относящуюся к динамику (например, 1300ватт и т.д.). Есть замечательная программа AudioTester, которая может многое, в том числе и измерять параметры НЧ динамиков. Скачать бесплатно программу можно на офф. сайте, но она постоянно будет напоминать нам, чтобы мы приобрели полную версии, и после нескольких измерений закрывается, но функционал полный. Скачиваем файл (около 30мб), жмем Download в левом верхнем углу сайта, устанавливаем программу. Нам нужно собрать вот такую простенькую схему, прикупить пару штекеров и пару резисторов на 10ом.

Схема.

Тестер, шнурок, 25ГДН и резистор 15ом.

Запускаем программу, слева нажимаем TSP, настройки делаем как у меня, в настройках звуковой карты убираем эквалайзеры и прочее, уровень входов-выходов ставим 60-80%. Сначала нужно откалибровать сопротивление, для этого находим резистор 10-20ом, измеряем его сопротивление тестером, либо ищем резистор с малой погрешностью.

Измерение сопротивление показало 15,9 ома, но это не совсем так.

У меня валялся вот такой керамический резистор 15ом, и чтобы измерить его сопротивление максимально точно, нужно вычесть показания на тестере (приборе) при подключенном резисторе и показания при короткозамкнутых щупах (15,9-0,9=15ом), совпало с номиналом, но такое бывает редко.

При замкнутых щупах сопротивление 0,9 ом

Щупы и внутренняя схема тестера тоже имеет сопротивление, и не стоит этим пренебрегать.

Подключаем шнукок ко входу и выходу звуковой карты компьютера (у меня это line out и line in, с микрофонным входом почему-то не работает) подсоединяем к шнурку резистор 15 ом, запускаем программу, жмем Start и добиваемся (изменением значения эталонного сопротивления) того, чтобы на графике линия совпадала со шкалой 15ом, заодно мы проверим пригодность и линейность звуковой карты( у меня она вышла просто идеальной, см. на фото синюю линию)

Первый запуск и калибровка.

Итак, мы откалибровали наш шнурок, теперь можно смело измерять параметры динамиков. Для примера я взял советский 25ГДН 86г.в. Диапазон частот выбираем от 5Гц до 120гц (Fs=78Гц), для сабвуферов верхнюю частоту можно уменьшить до 100гц, но нижнюю частоту измерения лучше не поднимать, так как будет страдать точность (Rdc станет выше). Динамик располагаем вертикально, подвешиваем, либо держим в руках во время измерения, в программе выставляем соответствующие настройки, нажимаем старт, ждем, пока программа построит график. Теперь перетаскиваем график в окошечко (1. Measurement), и программа мгновенно посчитает параметры.

Замер параметров 25 ГДН.

Самое сложное — определения эквивалентного объема. Для этого линейкой измеряем диаметр диффузора от середины до середины подвеса, приклеиваем на двусторонний скотч монеты исходя примерно из соотношения: масса монет = массе подвижной системы (5дюймов-10гр, 6,5 – 20гр, 8 – 40гр, 10 – 90гр, 12 – 120гр, 15 – 180гр), но зависит от конструкции НЧ динамика. Массу монет можно узнать тут, лучше брать те, которые не магнитятся. Переключаемся на второй график, в настройках указываем массу монет и диаметр динамика, жмем Start и строим зависимость сопротивления с дополнительным грузом, перетаскиваем его в окошко (2. Measurement). Все, программа выдает нам оставшиеся Vas и прочее. Можно сохранить данные, нажав Print/List.

Дополнительный груз — 2 монеты по 10р.

Также с помощью данного шнурка можно узнать сопротивление динамика на определенной частоте (частоте раздела фильтров, например), что поможет при расчете пассивных фильтров. На высоких частотах сопротивление будет уже далеко не 4 ома (сказывается большая индуктивность катушки НЧ динамиков).

Зависимость сопротивления от частоты 25ГДН

Можно очень точно определить частоту настройки порта фазоинвертора. Для этого шнурок подключаем к собранному коробу ФИ и аналогично замеряем сопротивление, минимальное его значение будет соответствовать настройке порта, нужно только увеличить график.

Определяем частоту настройки ФИ

С готовым шнурком и настроенной программой измерение параметров динамика занимает не более 10 минут. Для новых динамиков рекомендуется размять подвес и шайбу, погоняв на синусе ниже резонанса динамика несколько часов. Исходя из небольшого опыта, точность измерений зависит от калибровки, точности массы добавочного груза, и от измеренного значения Rdc (сопротивление постоянному току), поэтому я выбрал нижнюю частоту измерений 5 Гц( у моего динамика при 5Гц R=3,5ом а при 20Гц уже 4,2 ома). Значение Rdc, измеренное тестером оказалось 3,5 ом (4,4- 0,9 с учетом сопротивления щупов), то же самое что и насчитала программа.

Записал небольшое видео:

Схема коробочки для замера параметров динамиков.

Она состоит из двух разъемов для звуковой карты компьютера, широкополосного усилителя TDA2030 (3-20000Гц) с блоком питания 12 в от светодиодной ленты и делителя из резисторов.

Принцип работы таков: программа Audiotester подает сигнал на динамик, замеряется разница напряжений до резистора 10ом и после и высчитывается сопротивление катушки динамика переменному току. Опыты показали, что более точные данные полной добротности получаются при замерах от 3Гц. Для определения эквивалентного объема используем метод добавочной массы или собирается герметичный короб. На фото схема коробочки моей версии, пример импеданса сабвуферного динамика и фото самой коробочки.

Применение усилителя позволяет производить параметры на мощности около 1 ватта, точность при этом повышается в разы.

Замеры проводил с помощью встроенного кодека Realtek, измеряет точно.

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например, для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0.004 вольта.

Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Какой размер является оптимальным?

Если в вашем автомобиле установлена фронтальная акустика, то для нее оптимально использовать 16-сантиметровый динамик. Данный диаметр позволит добиться хорошего звучания с низким басом. Как правило, колонки с таким диаметром без проблем устанавливаются в машине, но в некоторых случаях место для установки может быть меньшим. На практике эту проблему вполне можно решить своими силами или обратившись за помощью к специалистам в инсталяционный центр. Необходимо только увеличить немного размер штатного места для монтажа громкоговорителя (автор видео — URAL Sound Russia — Официальный канал).

Стоит учитывать и одну основную особенность, которой многие наши соотечественники пренебрегают, в частности, речь идет о различиях между моделями одной линейки. Речь идет о моделях колонок, характеризующихся усовершенствованными техническими особенностями. Следует отметить, что стоимость разных моделей может не особо различаться.

Если ваше транспортное средство оснащено трехкомпонентной акустикой, то наиболее оптимальным вариантом будет использование 20-сантиметровых динамиков. Они особенно подходят для воспроизведения средних диапазонов частот, что обусловлено их габаритами. Однако именно габариты — это основная проблема, по которой могут возникнуть сложности в плане установки громкоговорителей, особенно в передней части авто. Не так часто, но все же используются такие динамики и для двухкомпонентных акустических систем, в этом случае нужно учитывать, что качество проигрывания средних частот оставляет желать лучшего. Как показывает практика, 20-сантиметровые колонки наиболее оптимально подходят для систем, в которых нет саба.

Нахождение резонансной частоты динамика Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра.

Та частота, на которой напряжение Us на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса Fs для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16 см эта частота должна лежать ниже 100 Гц.

Не забудьте записать не только частоту Fs, но и показания вольтметра Us.

Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Параметры (Fs, Qts, Vas)

Fs — резонансная частота динамика

Резонансная частота (Fs) — частота резонанса сабвуфера без акустического оформления (без корпуса).

Fs меньше 25 Гц считается низкой, а больше 40 Гц — высокой. Резонансная частота зависит от общей жесткости подвеса сабвуфера и массы его подвижной системы. Общая жесткость, в свою очередь, зависит от жесткости центрирующей шайбы и жесткости подвеса диффузора.

Спойлер

Fs — резонансная частота динамика, Гц

где:

Сms — гибкость подвеса подвижной системы динамика, м/Н,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг.

Qts — полная добротность

Полная добротность (Qts) — это упругость (контроль) динамика в районе резонансной частоты (Fs).

Другими словами — чем выше добротность, тем сильнее «болтается» саб в районе своей резонансной частоты (Fs), а чем ниже, тем эффективнее колебания гасятся (контролируются).

Складывается из механической добротности, которая зависит в основном от материала центрирующей шайбы, а не подвеса диффузора, как многие думают и электрической добротности, зависящей от величины магнита, длины обмотки катушки и ширины зазора в магнитной системе. От полной добротности механическая составляет 10-15%, а электрическая 90-85%, соответственно.

Низкой добротностью считается значение 0.3-0.35, высокой — 0.5-0.6.

Спойлер

Qts — полная добротность на частоте Fs, , где:

Qms — механическая добротность на частоте Fs,

,
Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Rms — механическое сопротивление подвеса подвижной системы (определяет «потери» в подвесе), Н·с/м,

Qes — электрическая добротность на частоте Fs,

,
Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Re — сопротивление звуковой катушки, Ом,

Bl — коэффициент электромеханической связи (индукция поля в магнитном зазоре умноженная на длину провода звуковой катушки), Тл·м.

Vas — эквивалентный объем

Эквивалентный объем (Vas) — объем воздуха в корпусе, обладающий той же упругостью, что и сабвуфер. Зависит от жесткости подвеса и площади диффузора (диаметра) динамика.

Чем больше диаметр и мягче сабвуфер, тем больше Vas.

Нужно отметить особенность связи Vas и Fs. Так как, резонансная частота (Fs) определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем (Vas) — диаметром диффузора и той же массой подвижки, может получится, что два сабвуфера одного диаметра и с одинаковой Fs будут совершенно разными — один тяжелый и жесткий, другой легкий и мягкий. Соответственно, эквивалентный объем для этих динамиков будет совершенно разным, как и размер правильного корпуса — вот почему данный параметр очень важен при расчетах короба для саба.

Спойлер

Vas — эквивалентный объем, л,

где:

ρ — 1,18421 кг/м³ — плотность воздуха при температуре 25 °C и влажности 0 %,
с — 346,1 м/с — скорость звука при 25 °C,
Sd — площадь диффузора, м.

Видео

Используйте параметры Тиля — Смолла для того, чтобы рассчитать корпус для сабвуфера. Применяйте эти параметры для правильного выбора типа корпуса сабвуфера (ЗЯ, ФИ, ЧВ, FreeAir) или для подбора динамика под задуманный тип, как это правильно сделать читайте здесь.

Нахождение Qms, Qes и Qts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Рис. 2. Формулы для измерений параметров Тиля-Смолла

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2.

Рис. 3. График зависимости сопротивления постоянному току от резонансной частоты

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.

Определяют частоты F1 и F2 ниже и выше резонансной частоты Fs, при которых напряжение на зажимах головки принимает некоторое значение U1,2, меньшее Us. Например, U1,2 = 0,7 Us . Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Рис. 4. Формула расчета резонансной частоты динамика

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно. Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

Если резонансная частота динамика выше 50 Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
Если резонансная частота динамика выше 100 Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 — исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры — к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров — Vas, Sd, Cms и L.

Параметры Тиля — Смолла: три карты акустики. Журнал «Автозвук»

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 звук.

Сохранить и прочитать потом —

— 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
Эту статью прочитали 68 993 раза

Статья входит в разделы:

«Сделай сам»

Нахождение площади поверхности диффузора Sd

Это так называемая эффективная излучающая поверхность диффузора. Для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна:

Рис. 5. Формула расчета площади поверхности диффузора

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.

Измерение динамика в домашних условиях и настройка фазоинвертора

(В помощь начинающим басовикам)

Глава А – Измерения

Сразу оговорюсь, что удобнейший способ измерения параметров НЧ динамиков изложен в методе JBL Speaker Shop

. Владельцам программы предлагаю воспользоваться этим методом (сам я его не проверял, но думаю, там глюков нет). Для тех же, у кого этой программы нет или не хватает измерительного оборудования, я опишу способ почерпнутый мной из журналов “РАДИО” прошлых лет. Я этот способ использовал и при определенной степени аккуратности и усидчивости с его помощью можно получить довольно точные (уж точнее, чем в справочнике или в инструкции пользователя) параметры.

Итак начнем:

1) Соберем схему:

Где на схеме испытуемый динамик, я думаю, ясно. Остальные элементы схемы требуют развернутого пояснения.

Генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20 В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию.

Резистор 1000 Ом, стабилизирующий ток через динамик. Номинал резистора можно брать меньше, но это будет снижать точность вычисления Qts. (Правда при использовании резистора всего 200 Ом погрешность измерения вряд ли превысит 10%, но, как говориться, береженного … ).

а, в, с – точки для подсоединения вольтметра.

Сам вольтметр на рисунке не указан, но он должен быть: – во-первых, переменного тока; – во-вторых, уметь измерять напряжения порядка 100 мВ. При отсутствии у вольтметра такого предела измерений, его можно подключить через усилитель. А так как современные усилители обычно “стерео” и более, особых проблем с этим нет.

2) Схема собрана, размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать).

3) Подключаем вольтметр к точкам а и с, и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.

4) Подключаем вольтметр к точкам в и с, и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, см. рисунок ниже по тексту. Это и есть Fs. Записываем Fs и Us-показания вольтметра.

5) 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:

6) Находим по графику (если мы его строили) или измеряем частоты среза F1 и F2 по уровню U12=(Us*Um)^0.5;

7) Вычисляем акустическую добротность Qa=(Us/Um)^0.5*Fs/(F2-F1), и

Электрическую добротность Qe=Qa*Um/(Us-Um);

9) И, на конец, полную добротность Qts=Qa*Qe/(Qa+Qe).

Чтобы узнать Vas нам потребуется ящик (хороший герметичный ящик, ни в коем случае не картонный, а с толстыми стенками) с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика, V, лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать.

10) Устанавливаем динамик в ящик и герметизируем все щели;

11) Проводим все измерения и вычисления по пунктам 1)-6) и получаем значения Fs'(на самом деле это Fc) и Qts’ (Qtc);

12) Вычисляем Vas=((Fs’/Fs)^2-1)*V;

13) Вычисляем Qtc=Qts*(1+Vas/V)^0.5, если измеренная Qts’=Qtc, ну или почти равна, значит – все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.

Глава B – Настройка ФИ

Предлагаемая методика настройки тоже списана из Литературы, но достаточно проста, что бы стать достоянием любопытных масс. Единственная оговорка (ее я сам придумал) в том, что эта методика позволяет легко настраивать ФИ, изготовленные на базе динамиков с добротностью Qts=0.3…0.5. Для прочих ФИ придется дополнительно применять природную смекалку. Итак.

В основе методики лежит зависимость, существующая между параметрами ФИ и ЗЯ (закрытого ящика). Если в ФИ с гладкой АЧХ (по spl) закрыть отверстие туннеля, то полная добротность системы, Qtc, окажется равной 0.6, а резонансная частота, Fc, будет связана с частотой настройки ФИ зависимостью: Fb=0.61…0.65*Fc. Если допустить погрешность определения частоты настройки ФИ в 5%, то отношение Fb/Fc для реальных конструкций можно принять равным 0.63.

Настройка:

14) Закрываем герметично отверстие туннеля, и собираем схему для измерения Fc (см. главу А).

15) Подбираем количество звукопоглащающего материала и добиваемся минимального значения Fc;

16) Закрепляем материал внутри ящика и измеряем Fc;

17) Вычисляем Fb=0.63*Fc;

18) Вычисляем длину туннеля: Lv=31*10^3*S/(Fb^2*V)-1,7*(S/ПИ)^0.5, где S – площадь отверстия порта ФИ в кв.см., V – объем ящика в литрах;

19) Делаем туннель, вставляем его внутрь ящика (именно внутрь, если в готовой конструкции он предполагается внутри) и измеряем Fb’.

Должно получится, что-то вроде:

20) Полученное значение Fb’ подставляем в формулу 18) и вычисляем уточненное значение V’;

21) Подставляем V’ в ф-лу 18) и вычисляем Lv’ для расчетного значения Fb (кто забыл, это произошло в п.17);

22) Укорачиваем (удлинить его невозможно, поэтому меры лучше принять заранее) туннель и снова измеряем;

23) По методике определения Qtc (глава А) определяем добротность системы и, если она меньше 1, успокаиваемся. Если она больше, то вероятно, что-то где-то было сделано не так, но переделывать уже поздно. Послушаем, если действительно бубнит (что совсем необязательно), будем принимать меры.

Возможные меры:

24) Задемпфировать частично-акустически-прозрачным материалом туннель ФИ. Другими словами – закрыть туннель синтепоном, ватой, карпетом и т.д;

25) Задемпфировать сам динамик, наклеив на окна диффузородержателя перечисленные выше материалы (только не все сразу).

Эти меры снизят общую добротность системы, Qtc.

Литература:

Салтыков О.,Расчет характеристик громкоговорителя, Радио 1981

Жбанов В., Настройка фазоинвертора, Радио 8/1986

Алдошина И. Там, где живут басы, АМ 2/1999

Фрунзе, О повышении качества звучания АС, Радио 9/1992

Нахождение индуктивности катушки динамика L

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц. Поскольку реактивная составляющая (XL) отстоит от активной Re на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

Рис. 6. Формула импеданс катушки на определеной частоте

Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и Re (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:

Рис. 7. Формула импеданс катушки на определеной частоте

Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Рис. 8. Формула индуктивности катушки

Измерение эквивалентного объема Vas

Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: метод «добавочной массы» и метод «добавочного объема».

Первый из них требует из материалов несколько грузиков известного веса. Можно использовать набор грузиков от аптечных весов или воспользоваться старыми медными монетками 1,2,3 и 5 копеек, поскольку вес такой монетки в граммах соответствует номиналу.

Второй метод требует наличия герметичного ящика заранее известного объема с соответствующим отверстием под динамик.

Нахождение Vas методом добавочной массы

Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками и вновь измерить его резонансную частоту, записав ее как F’s. Она должна быть ниже, чем Fs. Лучше если новая резонансная частота будет меньше на 30%-50%. Масса грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12″ головки нужен груз массой около 120 граммов.

Затем необходимо рассчитать Cms на основе полученных результатов по формуле:

Рис. 9. Формула расчета относительной жесткости

где М — масса добавленных грузиков в килограммах.

Исходя из полученных результатов Vas(м3) рассчитывается по формуле:

Рис. 9. Формула расчета эквивалентного объема

Нахождение Vas методом добавочного объема

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. Объем ящика обозначен как Vb.

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Qmc, Qec и Qtc. Методика измерения полностью аналогична описанной выше. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Рис. 10. Формула расчета эквивалентного объема методом добавочного объема

Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса. А вот как оно рассчитывается — это уже совсем другая история.

Сайт установщиков

Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить сабвуфер являются:

Резонансная частота динамика Fs (Герц)
Эквивалентный объем Vas (литров или кубических футов)
Полная добротность Qts
Сопротивление постоянному току Re (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

Механическую добротность Qms
Электрическую добротность Qes
Площадь диффузора Sd (м2) или его диаметр Dia (см)
Чувствительность SPL (dB)
Индуктивность Le (Генри)
Импеданс Z (Ом)
Пиковую мощность Pe (Ватт)
Массу подвижной системы Mms (г)
Относительную жесткость Cms (метров/ньютон)
Механическое сопротивление Rms (кг/сек)
Двигательную мощность BL

Большинство этих параметров может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень. Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу. Автор этого «труда» не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников — как иностранных, так и российских.

Измерение Re, Fs, Fc, Qes, Qms, Qts, Qtc, Vas, Cms, Sd.

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

Вольтметр
Генератор сигналов звуковой частоты
Частотомер
Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение, способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности.

Измерение параметров Тиля-Смолла

Схема для измерений

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в омах. Например для калибровочного сопротивления 4 ома напряжение должно быть 0.004 вольта. Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Нахождение Re

Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re можно замерить и непосредственно омметром.

Нахождение Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Нахождение Qms, Qes и Qts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Нахождение Qms, Qes и Qts

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2. Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две — одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно.

Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 — исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры — к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров — Vas, Sd, Cms и L.

Нахождение Sd

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.

Нахождение индуктивности катушки динамика L

Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Нахождение индуктивности катушки динамика L

Измерения Vas

Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: метод «добавочной массы» и метод «добавочного объема». Первый из них требует из материалов несколько грузиков известного веса. Можно использовать набор грузиков от аптечных весов или воспользоваться старыми медными монетками 1,2,3 и 5 копеек, поскольку вес такой монетки в граммах соответствует номиналу. Второй метод требует наличия герметичного ящика заранее известного объема с соответствующим отверстием под динамик.

Нахождение Vas методом добавочной массы

Затем необходимо рассчитать Cms на основе полученных результатов по формуле:

Нахождение Vas методом добавочной массы

где М — масса добавленных грузиков в килограммах.

Исходя из полученных результатов Vas(м3) рассчитывается по формуле:

Нахождение Vas методом добавочной массы

Нахождение Vas методом добавочного объема

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Qmc,Qec и Qtc. Методика измерения полностью аналогична описанной выше. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Нахождение Vas методом добавочного объема

Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу:

Нахождение Vas методом добавочного объема

Файлы:

Измерение параметров Тиля-Смолла
Программа для измерения параметров Тиля-Смолла сабвуфера

284.27 KB

Генератор звуковых частот Генератор звуковых частот. Удобный вариант генератора для измерения параметров Тиля-Смолла низкочастонтных динамиков.

21 KB