Как найти параметры динамика

Хочется собрать сабвуфер, да не простой, а грамотно рассчитанный. В этих расчетах уже все поднаторели: и установщики, и любители, и программ тоже вроде хватает, например JBL SpeakerShop. Одно только «но» — без параметров Тиля-Смолла далеко не уедешь.

К сожалению, недорогие и тем особенно интересные динамики часто попадают в руки вообще без каких-либо цифр. Бывает и так, что характеристики вроде есть, но разные, в зависимости от года выпуска. Это встречается даже у известных производителей.
В общем, умение измерять эти величины лишним не будет.

Традиционные методы измерения описаны во многих источниках и секрета не представляют. Более того, в упомянутой выше программе JBL SpeakerShop есть удобный «мастер», который избавляет от необходимости вручную рассчитывать промежуточные и окончательные значения напряжений, частот и добротностей: нужно собрать приведенную там схему и действовать в соответствии с указаниями программы.

Я сам неоднократно пользовался этой методикой, все здорово, только для измерений требуются:
а) генератор,
б) частотомер,
в) вольтметр переменного тока,
г) усилитель низкой частоты.

Думаю, что где-нибудь к пункту в) из этого списка исследовательский пыл у многих уже малость поугас. Но это еще не все. Сам процесс измерений, постоянная «ловля» требуемых значений частот и напряжений способны утомить даже флегматика: на один динамик уходит в лучшем случае полчаса. Обидно тратить время на такую рутину, поэтому, когда я наткнулся на программу SpeakerWorkShop, радости не было предела.

Замечательно, нужны только компьютер со звуковой платой и элементарные кабели. Первые несколько дней я честно пытался делать все так, как велит инструкция. Тут меня ждало разочарование. То есть сама по себе программа хорошая, но вот ее help — это что-то. Прочитал его, наверное, раз двадцать, пробовал и так, и этак, но так ничего и не получилось. Что поделать — бесплатный софт сродни сыру той же цены.

Несколько месяцев я продолжал измерять «три цифры» обычными способами, пока на сайте, на котором находится сама программа, не появилась новая ссылка. Спасибо чемпиону РАСКА среди любителей Косте Никифорову за то, что сказал о ней. Предлагаемое ниже описание — мой собственный, упрощенный вариант приставки и краткая инструкция по работе с программой.

Бывает в жизни — как приклеится к человеку прозвище, так и преследует до конца дней его. Вот и с прибором, который буду ниже описывать, тоже такое случилось — «коробочка», да и все тут. Как я ни пытался выдумать более наукообразное название, ничего не вышло. Схема приведена на рис. 1

рис. 1

Некоторые комментарии по поводу применяемых элементов.
X1 — разъем, подключаемый к выходу усилителя мощности (Spkr Out) звуковой карты, обычно «мини-джек». Сигнал правого и левого канала с усилителя одинаков, поэтому можно использовать любой контакт разъема. При использовании внешнего усилителя подключать одновременно этот разъем к выходу звуковой платы НЕЛЬЗЯ!

X2, X3 понадобятся, если вы будете использовать внешний усилитель мощности. Это более предпочтительный вариант, правда, чуть более громоздкий. Подойдут «колоночные» клеммы, желательно винтовые. Кроме того, в случае использования внешнего усилителя потребуется дополнительный кабель «мини-джек — два тюльпана».

X4, X5 — клеммы, аналогичные X2, X3. К ним будет присоединяться объект исследования. Очень полезно продублировать эти клеммы парой «крокодилов».

X6 — «мини-джек», который будет подключен ко входу Line-In звуковой платы. Распайку правого и левого канала я не привожу — пока соедините как получится, уточним позднее. Провод к разъему нужно брать экранированный.

R1, R2 — резисторы, используемые в качестве эталонных при калибровке программы. Номиналы особой роли не играют и могут быть от 7,5 до 12 Ом, например типа МЛТ-2.
R3 — это резистор, с величиной которого программа «сравнивает» неизвестный импеданс. Поэтому номинал этого резистора должен быть соизмерим с исследуемым. Если в основном предполагается измерять автомобильные динамики, величину R3 можно взять около 4 Ом. Мощность можно выбрать такую же, как для R1.

R4, R5, R6, R7 — любой мощности. Сопротивления могут несколько отличаться от указанных, важно лишь, чтобы R4/R6 = R5/R7 = 10…15. Это делитель, который ослабляет сигнал на входе звуковой карты.

SA1 служит для выбора между двумя эталонными сопротивлениями. Он используется только при калибровке. Можно использовать тумблер, я поставил П2К, соединив параллельно несколько секций.

SA2, пожалуй, самый ответственный. Важно, чтобы он обеспечивал надежный и стабильный контакт, от этого во многом зависит точность результатов.

Итак, «коробочка» собрана. Теперь потребуется омметр, причем максимально возможной точности, желательно измерительный мост. Необходимо установить переключатели во все положения согласно таблице и измерить указанные сопротивления.

Обращаю внимание на то, что при работе потребуются именно реально измеренные значения сопротивлений. Их, а также назначение всех переключателей и входов-выходов лучше всего написать прямо на корпусе — на память надеяться не советую.

Принцип работы системы очень прост. Шумовой сигнал, формируемый программой, подается через усилитель на исследуемый объект через резистор R3 известного сопротивления. Программа сравнивает напряжение на одном канале (верхний вывод R3) с напряжением на другом (нижний вывод R3 и верхний — измеряемого объекта). Гениальная простота идеи состоит в том, что для расчета неизвестного импеданса используются не абсолютные величины напряжений, а их отношение. Благодаря предварительной калибровке по заведомо известным сопротивлениям (R2 и R2-R1) достигается вполне приемлемая точность измерений.

Теперь можно присоединить «коробочку» к звуковой плате. Для первого раза не стоит использовать внешний усилитель: чтобы понять принцип работы, он особо не нужен. А когда принцип станет ясен, его подключение вопросов уже не вызовет.

Настройка программы
Возможно, кому-то описание настройки покажется излишне подробным, но, как показывает практика, удобно, когда весь процесс описан по порядку, а не по принципу «это вы и так знаете, здесь все очевидно, в общем, умные — сами разберетесь».

После первого запуска программы нужно проверить, поддерживает ли ваша звуковая плата «полностью дуплексный режим», т. е. позволяет ли одновременно воспроизводить и записывать звук. Для проверки нужно выбрать пункт меню Options-Wizard-Check sound card. Дальнейшие действия программа проделает самостоятельно. Если результат отрицательный, придется искать другую плату или обновлять драйвер.

Если все в порядке, откройте Volume Control (Регулятор уровня). Выбрав Options-Properties, установите Mute на все регуляторы, кроме Volume Control и Wave. Необходимо отключить все «лишние» опции, вроде Enhanced Stereo и темброблока. Регулятор громкости установите в среднее положение. В завершение переместите окно Volume Control, как показано на рисунке 2.

рис. 2

рис. 3

Теперь откройте еще одну копию Volume Control. Выберите Options-Properties, установите режим записи (Recording). Имя окна изменится на Recording Control (Уровень). Аналогично вышеописанному поставьте Mute на все регуляторы, кроме Recording и Line-In. Регулятор уровня поставьте в положение максимума. Потом, возможно, уровень потребуется изменить, но об этом позже. Переместите окно Recording согласно рисунку.

Один из самых ответственных этапов настройки — правильно выбрать входные и выходные уровни сигналов. Для этого создайте новый сигнал, выбрав пункт Resource-New-Signal. Дайте ему какое-нибудь имя, например sign1. По умолчанию будет выбран синусоидальный тип сигнала (Sine), что нас вполне устраивает. Имя нового сигнала должно появиться в окне проекта (то, что слева).

Для того чтобы что-то сделать с сигналом или динамиком, его нужно обязательно открыть. Думаете, для этого достаточно двойного щелчка? Вот тут таится одна из особенностей интерфейса программы: для открытия ресурса требуется сначала щелкнуть на имени ресурса левой кнопкой мыши, затем либо выбрать пункт Open из меню, появляющегося при нажатии правой кнопки, либо нажать F2 на клавиатуре. Вновь нажмите правую кнопку и войдите в Properties. Там нужно выбрать закладку Sine и ввести значение частоты 500 Гц. Фаза сигнала — 0. OK.

Установите переключатели «коробочки» в положение LOOP (согласно таблице). Убедившись в том, что сигнал открыт, войдите в меню Sound-Record — появится диалог Record Data. Введите туда те значения, которые приведены на рис. 3. Нажмите OK; если к клеммам Test подключен динамик, раздастся кратковременный «шип».

Посмотрим на дерево проекта. Там появится несколько новых объектов с именами, начинающимися с sign1. Откройте ресурс с именем sing1.in.l. На появившемся справа графике нажмите правую кнопку мыши и выберите Chart properties. Выберите закладку X Axis и установите в разделе Scale максимальное значение, равное 10. Затем выберите Y Axis и установите диапазон значения Minimum и Maximum — 32 K и 32 K соответственно. Нажмите OK. График должен выглядеть как 4,5 периода синусоидальных колебаний. Проделайте все то же самое с ресурсом sing1.in.r.

Теперь нужно выяснить уровень выходного сигнала, при котором наступает ограничение. Для этого понемногу увеличивайте уровень регулятором громкости, повторяя каждый раз процедуру записи (пункт меню Sound-Record Again) и анализируя графики sign1.in.r и sign1.in.l. Как только появится видимое ограничение амплитуды (обычно при уровнях ~20 K), нужно немного уменьшить уровень сигнала. На этом процесс установки уровня можно считать законченным.

В оригинальной методике автор предлагает проверить теперь соответствие левого и правого каналов. Я это делал, но впоследствии оказалось, что их пришлось поменять местами. Так что лучше перейти сразу к калибровке программы по известным сопротивлениям — там «правый-левый» заодно и проверим.

Для начала убедитесь в том, что к тестовым клеммам (X4, X5) ничего не подключено. Затем откройте меню Option-Preferences и выберите там закладку Measurements. Установите Sample Rate в крайнее правое положение, а Sample Size — равным 8192. Громкость надо сделать равной 100. В дальнейшем при реальных измерениях для большей точности нужно устанавливать больший Sample Size. Правда, при этом возрастает размер файла. Точность можно повысить, уменьшив Sample Rate, — при этом снизится верхняя граничная частота измерений, но для сабвуферов это совершенно неважно.

Теперь надо проверить разбаланс каналов. Для этого выберите пункт Option — Calibrate-Channel Difference и нажмите кнопку Test. Дальнейшие действия подскажет программа. Результаты проверки будут находиться в разделе Measurement.Calib папки System (в окне проекта). Какие точно значения должны получаться, я не знаю, на практике разбаланс выходит порядка десятых долей (в безразмерных единицах), а уровень сигнала на выходе каждого из каналов при этом — в районе 20000 этих же единиц. Думаю, такое соотношение можно считать приемлемым.

Дальше — самое интересное. Мы будем измерять заведомо известные сопротивления. Войдите в пункт Options-Preferences и выберите закладку Impedance. В поле Reference resistor введите измеренную величину сопротивления между клеммами X2 и X4. В соседнее поле (Series resistor) можно ввести значение, например 0,2, программа потом сама подставит туда то, что сочтет нужным. Теперь нажмите кнопку Test. Установите переключатели «коробочки» в режим CAL1 и введите измеренное на клеммах значение эталонного сопротивления R2. (Вы его уже забыли? А я ведь советовал записать.) Нажимаем кнопку Next и повторяем то же самое, но в режиме CAL2. Кстати, советую при калибровке и измерениях постоянно следить за индикатором, который находится возле регулятора уровня. При появлении там «красных делений» я слегка уменьшаю уровень громкости. После этого нужно повторить калибровку. Поначалу процесс освоения длится долго, но через пару сеансов работы с программой все настройки нужно будет в основном контролировать. Это занимает всего несколько минут.

Итак, программа выдала, каковы, на ее взгляд, значения Reference и Series резисторов. Если отличия от введенных нами величин небольшие (например, 4,2 ома вместо 3,9) — все замечательно. Можно пройти для верности процесс еще разок и приступить к реальным измерениям. Если программа выдает явный бред (например, отрицательные значения) — значит, надо поменять местами правый и левый каналы в разъеме X6 и повторить настройку заново. После этого, как правило, все становится нормально, хотя у некоторых коллег наблюдалось устойчивое нежелание программы настраиваться. То ли звуковая карта какая-то не такая, то ли еще что — не знаю. О встретившихся сложностях и найденных путях их преодоления сообщайте, оформим в виде FAQ (чувствую — придется).

Вроде настроились. Можно начать пожинать плоды своего труда. Берем какой-нибудь конденсатор или катушку индуктивности, щелкаем тумблер в положение IMP, выбираем созданный ранее сигнал sign1, пункт меню Measure-Passive Component… Есть результат? Должен быть. Не знаю, кто как, а я испытываю какую-то первобытную радость, когда вижу, что программа сама распознала, что за компонент я подключил, и выдала его значение «в простой письменной форме».

Точность измерений пассивных компонентов, по скромным оценкам, составляет 10—15%. Для изготовления кроссоверов этого, на мой взгляд, вполне достаточно.

Теперь переходим к динамикам. Здесь все так же легко и просто. Создаем новый динамик (Resource-NewDriver), указываем ему имя, открываем (напоминаю, клавиша F2). Теперь изучаем меню Measure. В принципе программа (ее подсказка) советует получить импедансы динамика в свободном состоянии (Fre — Air), затем в закрытом ящике, ввести значение объема ящика в Properties этого динамика, а затем рассчитать параметры Тиэле — Смолла (для этого, открыв динамик, нужно войти в меню Driver Estimate Parameters). Тут, однако, я встретил еще один подводный камень, поскольку значение эквивалентного объема программа считать отказывается (остается значение по умолчанию, 1000 л). Не беда, из двух графиков импеданса берем значения резонансных частот Fs и Fc и считаем Vas вручную по известной формуле: V_as=V_b•((F_c/F_s)²-1). Кто-то уже, наверное, ворчит, дескать, вот еще, самому что-то считать приходится — советую вспомнить, сколько вычислений производится при полностью «ручном» методе определения параметров. Вообще-то я надеюсь, что в последующих версиях программы эта и другие досадные ошибки будут устранены.

Заодно и ссылку даю на сайт программы

. Посетите, там же, кстати, и оригинальное описание «коробочки» находится.

Приведу результат еще одного эксперимента, который я придумал, чтобы проверить «собственную АЧХ» всего измерительного комплекса. Для этого я взял постоянный резистор, но обманул программу, указав ей, что это якобы динамик. После этого попросил снять характеристику импеданса этого резистора (см. рис. 4). По графику видно, что даже при использовании усилителя звуковой карты погрешности, зависящие от частоты сигнала, небольшие. Что касается практического использования программы для измерения характеристик саб- и просто вуферов, хочу поделиться небольшими секретами. Дело в том, что к измерению собственно параметров Т-С я подхожу не слишком серьезно. Основной упор же делаю потом, когда снимаю характеристики готовых ящиков. В случае оформления «закрытый ящик» из зависимости импеданса от частоты можно узнать реальную добротность и резонансную частоту. Кроме того, если ящик негерметичен, на графике появится дополнительный пик на собственной резонансной частоте динамика (Fs). Еще интереснее настраивать фазоинвертор. Когда это делаешь вручную, точно определить Fb бывает непросто — «впадина» на графике очень пологая, поэтому точность получается порядка 1—2 Гц. С помощью программы следить за настройкой порта на нужную частоту проще. Взгляните на рис. 2. Там как раз изображен график импеданса динамика в фазоинверторе. Очень хорошо видны все нужные частоты, фазоинвертор «настроился» на 40 Гц.

Хочу надеяться, что описанный мной простой и недорогой инструмент облегчит труд творчески мыслящего установщика. Конечно, конкуренции «Брюль&Къеру» он не составит, но ведь и вложения требуются совсем небольшие.

Повторите — не пожалеете.
Автор: О. Леонов

Всем привет. Те, кто занимался расчетом акустического оформления, встечались с параметами Тиля-Смолла. Чтобы, например, рассчитать акустическое оформление для динамика, необходимо знать минимум 3 основных парметра: Vas – эквивалентный объем, Qts – полная добротность и Fs – резонансная частота. Большинство производителей не указывают эти параметры, а пишут на коробках всякие красивые цифры и прочую «ерунду», мало относящуюся к динамику ( типа 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.

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.

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.

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)

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.

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.

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).

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.

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.
Предложения и замечание пишите в комментариях, если что не так, исправлю.

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 F_s (Герц)
• Эквивалентный объем V_as (литров или кубических футов)
• Полная добротность Q_ts
• Сопротивление постоянному току R_e (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

• Механическую добротность Q_ms
• Электрическую добротность Q_es
• Площадь диффузора S_d (м²) или его диаметр Dia (см)
• Чувствительность SPL (dB)
• Индуктивность L_e (Генри)
• Импеданс Z (Ом)
• Пиковую мощность P_e (Ватт)
• Массу подвижной системы M_ms (г)
• Относительную жесткость (механическая гибкость) C_ms (метров/ньютон)
• Механическое сопротивление R_ms (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 R_e, F_s, F_c, Q_es, Q_ms, Q_ts,
Q_tc, V_as, C_ms, S_d, M_ms.

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

1. Вольтметр.
2. 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.
3. Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом.
4. Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом.
5. Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

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 сопротивления постоянному току R_e

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

Впрочем, R_e можно замерить и непосредственно омметром.

Нахождение резонансной частоты динамика F_s и R_max

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

Не забудьте записать не только частоту F_s, но и показания вольтметра U_s.

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

Нахождение Q_ms, Q_es и Q_ts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

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

Это частоты, при которых сопротивление динамика равно R_x. Поскольку R_x всегда меньше
R_max, то и частот будет две — одна несколько меньше F_s, а другая несколько больше.

Определяют частоты F₁ и F₂ ниже и выше резонансной частоты F_s, при которых
напряжение на зажимах головки принимает некоторое значение U_1,2, меньшее U_s. Например, U_1,2
= 0,7 U_s . 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:

1. 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.
2. Если резонансная частота динамика выше 100 Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для
   воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
3. Если соотношение F_s/Q_ts 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 — V_as, S_d, C_ms и L.

Нахождение площади поверхности диффузора S_d

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

Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до
середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также
является излучающей поверхностью. Обратите внимание, что единица измерения этой площади — квадратные метры.
Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.

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 (X_L) отстоит от активной
R_e на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

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

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

Измерение эквивалентного объема V_as

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 V_as 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 F_s. 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 C_ms на основе полученных результатов по формуле:

где М — масса добавленных грузиков в килограммах.

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

Нахождение V_as 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 V_b.

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

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.

Определение механической гибкости C_ms

Где S_d — эффективная площадь диффузора с номинальным диаметром D. Как вычислять написано ранее.

Определение массы подвижной системы M_ms

Она легко рассчитывается по формуле:

Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL

Самое главное не забывайте, что для более точных значений измерения параметров Тиля-Смолла необходимо проводить
эксперимент несколько раз, а затем путем усреднения получать более точные значения.

Любой динамик предназначен для установки в корпус определенных размеров и конструкции (точнее сказать, акустического оформления). Если динамик установить в несоответствующий ему корпус (например, слишком малого объема или неподходящего акустического оформления), то играть такая колонка будет плохо. Будет глухой и плоский звук, отсутствие басов и/или верхов, искажения и призвуки, бубнение на одной частоте и т.п. Какое оформление требуется для конкретного динамика, определяют его параметры Тиля-Смолла (T/S параметры). Но проблема в том, что даже брендовые производители не всегда их указывают для всех моделей своих динамиков, не говоря уже о безродных китайских динамиках с Али. В обзоре будет показано, как самостоятельно их измерить с помощью простого кабеля и компьютера, а также рассчитать по полученным T/S параметрам правильные размеры и конструкцию корпуса под динамик.

Для измерения параметров Тиля-Смолла я подготовил следующие динамики (для всех из них T/S параметры производителем не указаны):

— JBL CS760C ru.jbl.com/CS760C.html
6-1/2″, 50W RMS/150W max., 55 Гц– 20 кГц, 4 ом, 92 дБ (2,83 В на 1 м)
Эти динамики стоят сейчас у меня в дверях машины. Один из них когда-то сломался (внутренний обрыв катушки) и я купил еще один комплект для замены. Если из такого неисправного динамика снять магнитную систему, из него можно сделать пассивный излучатель (ПИ) для повышения отдачи АС в области низких частот. Снятый магнит тоже пойдет в дело, о чем будет рассказано ниже.

— JVC CS-J420X ru.jvc.com/mobile-entertainment/speakers/CS-J420X/
4′, 21W RMS/210W max., 45 Гц– 22 кГц, 4 ом, 90 дБ/мВт
Это бюджетные брендовые автодинамики, купленные для экспериментов.

— 2 динамика 5W 8Ohm, один из которых уже установлен в свое акустическое оформление.

Измерения параметров Тиля-Смолла будем проводить с помощью программы AudioTester.

Также можно использовать программу Limp из пакета Arta Software, кабель в обоих случаях используется один и тот же, и результаты измерений обеих программ должны практически полностью совпадать — за подсказку благодарю Vairon и yopopt.

Программа AudioTester дает повторяемый результат. Я измерял один и тот же динамик на основном ПК, дополнительном ПК и ноутбуке. Все эти измерения показывают очень схожие результаты. Также результаты измерений AudioTester признаются Роспатентом, например, вот патент RU 2707905 (акустическая система с щелевым настраиваемым резонатором Гельмгольца).

Для измерений с помощью AudioTester требуется сделать несложный кабель с одним резистором. Готовим 2 куска экранированного кабеля (т.е. кабеля, состоящего из 2-х отдельных многожильных проводов с общей медной оплеткой, типа кабеля для наушников), 2 разъёма «джек» 3.5мм для подключения к ПК, резистор 10 ом, провода с крокодилами и/или с автоклеммами для подключения к динамикам. Для изготовления таких проводов лучше использовать акустический кабель достаточного сечения (я сделал их из кабеля 2х1.5мм2).

Схема кабеля:
Паяем такой кабель, фиксируем провода стяжками, затем закрываем этот узел термоусадкой. Чтобы не перепутать, на штекер для подключения к аудиовыходу ПК надеваем зеленую термоусадку:

Скачиваем программу с официального сайта www.audiotester.de/ и устанавливаем. На компьютере ставим громкость динамиков и микрофона 100% и отключаем все улучшайзеры, если включены (типа объемный звук, тонкомпенсация и т.д.). Полностью убираем усиление микрофона. Подключаем кабель к компьютеру. В программе нажимаем кнопку TSP.

Но прежде чем измерять динамики, нужно сделать калибровку для учета сопротивления изготовленного кабеля. Вместо динамика к другому концу кабеля подключаем резистор с сопротивлением, близким к динамику. Я использовал для калибровки резистор 6.6 ом. Нажимаем Start и смотрим по зеленой кривой, насколько правильно AudioTester измеряет сопротивление резистора. При необходимости изменяем значение в поле Impedance, пока не получим максимально точного соответствия:

Теперь можно приступать к измерению динамика. Насчет того, как это правильно делать, встречаются 2 противоположные точки зрения. Одни утверждают, что динамик нужно подвешивать за люстру в центре большой комнаты со стенами завешенными коврами). Другие доказывают, что динамик нужно наоборот зажимать в тиски. На мой взгляд, правильно делать так, как рекомендует сам автор AudioTester — динамик при измерении нужно положить на мягкую подушку диффузором вверх.

В видео ниже показано, как сделать настройки с учетом измеряемого динамика и выполнить процедуру измерений:

Итак, мы измерили параметры Тиля-Смолла нашего динамика. Что с ними делать дальше?

Сохраняем результаты в текстовый файл кнопкой List / Print и затем вбиваем эти значения в одну из программ расчета корпусов, например JBL SpeakerShop, Bassbox Pro, UniBox и т.п. Там выбираем желаемый тип корпуса под этот динамик и программа сама рассчитывает размеры выбранного корпуса.

Программу расчета корпусов мы запустим позже, а сейчас попробуем бегло проанализировать полученные T/S параметры нашего динамика JBL CS760C.

Самых главных параметров Тиля-Смолла всего три: Fs, Qts и Vas.

Fs — это собственная резонансная частота динамика (без корпуса). Частоты ниже Fs динамик воспроизводит плохо.

Qts — это полная добротность динамика. Значение Qts может определить тип акустического оформления, наиболее подходящего для динамика, а также склонность динамика к бубнению на своей резонансной частоте (чем выше добротность, тем больше будет бубнить, при некоторых условиях).

Есть разные классификации предназначения динамиков в зависимости от Qts, до сих пор к единому знаменателю по этому вопросу так и не пришли. Например, вот одна из таких классификаций:

Qts > 1,2 —динамики для открытых ящиков, оптимально 2,4;
0,6 < Qts < 1,2 — динамики для закрытых ящиков, оптимально 0,7–0,8;
0,4 < Qts< 0.6 — динамики для фазоинверторов, оптимум — 0,4;
0,2 < Qts< 0.8 — динамики для систем с пассивным излучателем;
Qts < 0.4 — динамики для рупоров.

Vas — это эквивалентный объём, по нему можно примерно прикинуть минимальный объем корпуса для установки динамика. Например, если Vas равен объему корпуса, то Fс и Qtс увеличится в 1.4 раза. А если объем корпуса будет больше Vas в 3-5 раз, это практически не ухудшит звучания акустики.

Итак, динамик JBL CS760C имеет T/S параметры: Fs=75.5 Гц, Qts=1.02, Vas=10.37 л.
Этот динамик автомобильный, предназначен для установки в двери. Высокая добротность этого динамика вполне уместна, т.к. внутренний объем двери не является полностью закрытым из-за щелей и технологических отверстий. Vas=10.37 л говорит о том, что, если ставить такой динамик в закрытый ящик, его объем должен быть от 30 литров минимум (например, куб с размерами 31х31х31см), что немало.

А есть ли способы еще сильнее уменьшить размеры корпуса без заметного изменения качества звучания АС?

Да, есть. Их как минимум три:

— Панель акустического сопротивления (ПАС), позволяет снизить добротность динамика в корпусе, конструкция ПАС подбирается опытным путем;

— Набивка корпуса демпфирующим материалом типа ваты или синтепона с плотностью до 24 г на литр объема, позволяет получить виртуальную прибавку объема корпуса до 40%;

— Обратный магнит, позволяет снизить электрическую добротность динамика. Попробуем на практике проверить его эффективность. Приклеим снятый с неисправного динамика магнит к рабочему динамику. Магниты должны отталкиваться, а не притягиваться!

Измерим динамик с прикрепленным обратным магнитом:

Видим, что добротность динамика JBL CS760C уменьшилась с 1.02 до 0.84. Насколько существенно это позволит уменьшить объем корпуса, будет показано чуть ниже.

А пока продолжим наши измерения.

Динамик JVC CS-J420X

T/S параметры: Fs=135,9 Гц, Qts=2.39, Vas=1.57 л.

Да уж…. Кроме автомобиля, такой динамик можно поставить только в открытый ящик. Добротность 2.39 ни обратный магнит, ни ПАС до приемлемого уровня не понизит.

Noname динамик SJ H9053201, 8Ohm 5W

T/S параметры: Fs=420,5 Гц, Qts=4.96, Vas=0.13 л.

Этот динамик стоял в телевизоре, качеством звучания не блистал)

Noname динамик 55085-010, 8Ohm 5W (в корпусе)

Этот динамик я измерил просто из интереса). Он тоже из телевизора, имеет собственный корпус, который я снимать не стал. Корпус интересен тем, что имеет вибродемпфирующий элемент в форме конуса, перераспределяющий звуковые волны в закругленные углы корпуса:

Такое решение уменьшает вибрации и резонансы корпуса. Звучал этот динамик, в отличие от такого же по мощности и импедансу собрата выше, гораздо приятнее. Даже какие-то низы можно было услышать.

Расчет корпуса под динамик на основе параметров Тиля-Смолла

Имея на руках T/S параметры интересующего динамика, можно приступать к расчету корпуса для него. Программ расчета корпусов достаточно много: JBL SpeakerShop, Bassbox Pro, UniBox и т.п. Эти программы, а также дополнительные материалы по теме можно скачать например здесь doctorbass.ru/zagruzki/

Попробуем просчитать корпус для динамика JBL CS760C в программе JBL SpeakerShop.

Создаем новый проект, копируем T/S параметры из текстового файла AudioTester в SpeakerShop. Программа просчитывает по ним оптимальный корпус в вариантах фазоинвертора (Vented Box) и закрытого ящика (Closed Box) и строит расчетную АЧХ (амплитудно-частотную характеристику) для каждого варианта. Нажимаем Ctrl-D и появляется окно с объемом и размерами корпуса. Всего в SpeakerShop 21 вариант корпусов на выбор: прямоугольный, куб, призмы разной формы, эллипсоид, сфера, конус, цилиндр и т.д. Как видим ниже, для динамика JBL CS760C размеры получаются немалыми:

Попробуем их уменьшить с помощью заполнения корпуса демпфирующим материалом. Выбираем заполнение “normal” и объем закрытого ящика уменьшается почти в полтора раза, АЧХ при этом практически не меняется:

Теперь проверяем эффективность обратного магнита для дальнейшего уменьшения объема корпуса. Создаем новый проект, копируем в него T/S параметры динамика с обратным магнитом и смотрим:

Объем закрытого ящика уменьшается еще в два раза, АЧХ при этом также существенно не меняется.

Таким образом, в нашем примере с динамиком JBL CS760C, использование заполнения и обратного магнита позволяет снизить объем корпуса почти в 3 раза, с 43.2 литров до 14.9 литров, без существенного изменения АЧХ. При этом добротность в корпусе будет 0.96.

Магниту из неисправного динамика мы нашли применение, теперь попробуем найти применение и оставшейся части этого динамика, т.е. корзине с диффузором.

Из нее можно сделать пассивный излучатель (Passive Radiator). Такой ПИ устанавливается в одном корпусе с основным динамиком и оба диффузора работают синфазно, но диффузор ПИ настраивается на более низкую резонансную частоту, что повышает отдачу АС в области низких частот:

Для расчета такого пассивного излучателя в SpeakerShop нужно ввести 3 параметра: объем ящика Vb, эквивалентный объем Vap (его значение такое же как Vas) и резонансную частоту Fp. Ранее при измерении T/S параметров с помощью AudioTester мы уже настраивали этот динамик на более низкую резонансную частоту 45 Гц добавлением груза 20 г. Поэтому вводим Fp=45 Гц и смотрим, какая АЧХ пассивного излучателя у нас получается:

Поднятая в области НЧ АЧХ фазоинвертора и пассивного излучателя дает мощный жесткий бас (то самое «мясо»). А равномерно падающая АЧХ закрытого ящика делает басы чистыми и прозрачными, но относительно слабыми. Такое звучание больше понравится музыкальным веганам).

Подводя итог, программа JBL SpeakerShop позволяет на основе T/S параметров рассчитать размеры корпуса под динамик в нескольких акустических оформлениях и показать в виде АЧХ звучание каждого из вариантов.

Резюме обзора

Какое оформление и размеры корпуса требуются для конкретного динамика, определяют его параметры Тиля-Смолла (T/S параметры). Если эти параметры неизвестны, их можно определить самостоятельно с помощью самодельного кабеля и компьютера. В обзоре подробно описана процедура измерений T/S параметров при помощи программы AudioTester, измерено 4 разных динамика, показано как влияют значения T/S параметров на конструкцию и размеры корпуса динамика. Рассмотрен расчет корпуса для динамика на основе T/S параметров в программе JBL SpeakerShop, приведены способы уменьшения размеров корпуса (заполнение демпфирующим материалом, обратный магнит) и показана их эффективность. Также описан расчет пассивного излучателя, который можно сделать из динамика без магнита.

Спасибо за просмотр этого обзора! Буду рад, если какая-то информация окажется вам полезной.

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 81 237 раз