Для начала давайте разберемся, что же это за параметры такие и зачем их нужно измерять.
«Параметры Тиля - Смолла » - это набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки в области низких частот. Зная эти параметры можно принимать решение о типе корпуса сабвуфера, его размерах и компонентах для конкретного динамика. Как правило, ответственные производители динамических головок дают в инструкции параметры Тиля-Смолла(далее Т-С) и рекомендации об объеме корпуса сабвуфера.
Мой подопытный - десятидюймовый динамик Mystery mjs-10.
Производитель обещает следующие характеристики:
Частота основного резонанса
(Fs
), Гц 39.25
Полная добротность
(Qts
) 0.5
Эквивалентный объем
(VAS
), л 28.68
Наиболее важными параметрами для расчета корпуса, являются полная добротность и частота основного резонанса.
Поскольку я решил делать саб с этой головкой, то я позволил себе усомниться в показателях и произвести замер параметров Т-С самостоятельно.
Сделать это не так сложно как может показаться на первый взгляд. Мне понадобились:
1.Компьютер со звуковой картой.
2.Усилитель звука.
3.Резистор (сопротивление) номиналом 1кОм.
4.Динамик, конечно же.
5.Вольтметр, обязательно цифровой, способный показывать до 3 знаков после запятой.
6. генерирующая звуковые сигналы
Из всего этого собрал такую схему:
На рисунке: 1-Компьютер; 2-Усилитель; 3-Резистор(1Ком);4-Динамик;
. Подвесил динамик, так чтобы он по возможности находился на равном удалении от стен, пола и потолка. Честно говоря, сначала я не подвешивал динамик, а провел измерения положив динамик на подушку в центре комнаты. Получив показатели которые меня обескуражили, я все же подвесил динамик. Показатели слегка изменились, правда не настолько чтобы как-то повлиять на конечный результат. Может квартира маленькая? Как бы там ни было подвешивать НАДО, ради чистоты эксперимента.
Запустил программу, выставил частоту 1000Гц. Поиграв частотой, я понял, что это неплохое оружие против соседей - захотите неявно досадить им, достаточно выставить в программе герц 20-40, поднять нужную громкость и уйти из дома на часок другой. В квартире все начинает дребезжать, при казалось бы полном отсутствии звука.
Вольтметр установил в режим измерения переменного напряжения
(!).
Подключил его к точкам А
и С
и, регулируя громкость на усилителе, установил напряжение равным 10-20 Вольт.
Вольтметр подключил к динамику, точки В и С , частоту в программе выставил 10Гц
Измерения заключаются в фиксировании напряжения, которое будет меняться от частоты, а оно будет меняться, я вас уверяю.
Частота на которой напряжение было максимально и есть Резонансная частота динамика Fs. Чтобы не запоминать всякие напряжения, я решил составить график, хотя, если вы уловите суть, это не обязательно. Итак выставил 10Гц, измерил напряжение, записал. Выставил 11Гц, измерил, записал. Ну и так далее. После того как вы найдете Fs(на вольтметре увидели максимальное значение), напряжение начнет падать с увеличением частоты. Затем пройдя определенный минимум оно начнет незначительно подниматься, вот тут и можно останавливаться. У меня это случилось на 90Гц.
График:
Получаем:
Fs
- резонансная частота = 45Гц
Us
- соответствующее Fs напряжение = 0.498в
Um
- минимальное напряжение = 0.131в
Для расчета величины U12 воспользуемся .
U12
= (Us*Um)^0.5 = 0.25542в
Теперь необходимо найти частоту среза для U12, другими словами найти на графике частоты F1 и F2 в местах пересечения графика для напряжения U12
F1
= 36.5Гц
F2
= 54Гц
Еще раз переходим на страничку и вносим полученные значения.
На выходе получил:
Qa
- акустическая добротность = 5.014
Qe
- электрическая добротность = 1.790
Qts
- полная добротность = 1.318
Надо ли говорить, что я был мягко говоря обескуражен от того, что полученная добротность отличается от декларируемой больше чем в два раза! Частота основного резонанса также не порадовала. Она оказалась практически на грани допустимого для сабвуферного динамика, будь она больше 50Гц, ни о каком сабвуфере и говорить бы не пришлось.
Осталось определиться с типом аккустического оформления сабвуфера, т.е. выбрать между типами "Закрытый ящик
", "Фазоинвертор
" и "Бандпасс
", более экзотические в расчет не беру. Помогает определиться коэффициент Fs/Qts.
Если он меньше 50, то такой динамик предназначен для работы в корпусах "Закрытый ящик
"(мой вариант), если больше 100 - "Фазоинвертор
" или "Бандпасс
" без вариантов, если между 50 и 100 - надо обратить внимание на другие показатели, посмотреть в программах WinISD
и SpeakerShop
какая будет рисоваться АЧХ и сделать выбор между "Фазоинвертором
" и "Бандпассом
" .
В последнее время стало слышно очень много вопросов про динамики и сабвуферы. Подавляющее большинство ответов можно получить на первых трех страницах любой книги, написанной профессионалами. Материал адресован в первую очередь начинающим, ленивым;) и сельским самодельщикам, подготовлен на основе книг И.А.Алдощиной, В.К.Иоффе, отчасти Эфрусси, журнальных публикаций в Wireless Worrld , АМ и (немного) личного опыта. HЕ использовалась информация из Интернета и ФИДОнета. Материал никоим образом не претендует на полноту освещения проблемы, а представляет собой попытку объяснить на пальцах азы акустики.
Чаще всего вопрос звучит примерно так: "нашел динамик, что с ним делать?", или "Товарищч, а говорят такие сабвуферы бывают›". Здесь мы рассмотрим только один вариант решения этой проблемы: По имеющемуся динамику сделать ящик, с оптимальными параметрами на HЧ, насколько это возможно. Этот вариант сильно отличается от задачи заводского конструктора-натянуть нижнюю частоту системы до необходимой по ТУ величины
[Q] Hашел по случаю большой динамик без опознавательных знаков. Как узнать, можно ли сделать из него сабвуфер?
[A] Hужно измерить его T/S параметры. Hа основании этих данных принимать решение о виде HЧ оформления.
[Q] Что такое T/S параметры?
[A] Минимальный набор параметров для расчета HЧ оформления, предложенный Тиллем и Смоллом.
- Fs -резонансная частота динамика без оформления
- Qts- полная добротность динамика
- Vas- эквивалентный объем динамика.
[Q] Как измерить T/S параметры?
[A] Для этого нужно собрать схему из генератора, вольтметра, резистора и исследуемого динамика. Динамик подключается к выходу генератора с выходным напряжением несколько вольт через резистор сопротивлением порядка 1 кОм.
1. Снимаем V(F)=АЧХ сопротивления динамика в области резонанса. Динамик должен во время этого измерения находиться в свободном пространстве(вдали от отражающих поверхностей) . Hаходим сопротивление динамика на постянном токе (пригодится), записываем частоту резонанса в воздухе Fs (это та частота, на которой показания вольтметра максимальны:) , показания вольтметра Uo на минимальной частоте (ну к примеру 10 Гц) и Um на частоте резонанса Fs.
2. Hаходим частоты F1 и F2, в которых кривая V(F) пересекается с уровнем V=SQRT(Vo*Vm) .
3. Hаходим Qts=SQRT(F1*F2)*SQRT(Uo/Um) / (F2-F1) это полная добротность динамика, можно сказать, важнейшая величина.
4. Для нахождения Vas нужно взять небольшой закрытый яшик объема Vc, с отверстием, немного меньшим диаметра диффузора. Плотно прислонить динамик к отверстию и повторить измерения. От этих измерений понадобится резонансная частота динамика в корпусе Fc. Hаходим Vas=Vc*((Fc/Fs)^2-1) .
Эта методика написана в Аудио Магазине 4 за 99 год. Я ее не проверял.. Есть и другие, когда измеряются механические параметры головки, масса, гибкость и т.п.
[Q] У меня теперь есть параметры динамика, что с ними делать?
[A] Каждый динамик при проектировании затачивается под определенный вид акустического оформления. Чтобы узнать, подо что именно, посмотрим на добротность.
- Qts > 1,2 это головки для открытых ящиков, оптимально 2,4
- Qts < 0.8-1.0 - головки для закрытых ящиков, оптимально 0,7
- Qts<0.6 - для фазоинверторов, оптимум - 0,39
- Qts<0.4 - для рупоров
Правильнее будет сортировать головки не по добротности, а по величине Fs/Qts. Приведу по памяти, неохота формулы просчитывать.
- Fs/Qts >30 (?) экран и открытый корпус
- Fs/Qts >50 закрытый корпус
- Fs/Qts >85 фазоинверторы
- Fs/Qts >105 Бандпассы (полосовые резонаторы)
Упругость, мясистость, сухость и др. подобные характеристики звука, издаваемого басовой колонкой, во многом определяются переходной характеристикой системы, образованной динамиком, нч оформлением и окружающей средой. Чтобы в этой системе не было выброса на импульсной характеристике, ее добротность должна быть меньше 0,7 для систем с излучением одной стороной динамика (закрытые и фазоинверторы) и 1,93 для двухсторонних систем (оформление типа экран и открытый ящик)
[A] Открытые ящики и экраны -простейший тип оформления. Достоинства: простота расчета, отсутствие повышения резонансной частоты (от размеров экрана зависит только вид частотной характеристики), почти неизменная добротность. Недостатки: большой размер передней панели. Достаточно грамотные и простые расчеты этого вида оформления можно найти в В.К. Иоффе, М.В.Лизунков. Бытовые акустические системы, М., Радио и связь. 1984. Да и в старых Радио наверняка есть примитивные радиолюбительские расчеты.
[A] Оформление "закрытый ящик" бывает двух типов, бесконечный экран и компрессионный подвес. Попадание в тот или иной разряд зависит от соотношения гибкостей подвеса динамика и воздуха в ящике, обозначается альфа (кстати говоря, первую можно померять, а вторую посчитать и изменить с помощью заполнения). Для бесконечного экрана соотношение гибкостей меньше 3, для компрессионного подвеса больше 3-4. Можно в первом приближении считать что головки с бОльшей добротностью заточены под бесконечный экран, с меньшей-под компрессионный подвес. Для наперед взятого динамика закрытый корпус типа бесконечный экран имеет бОльший объем, чем компрессионный ящик. (Вообще говоря, когда есть динамик, то оптимальный корпус под него имеет однозначно определенный объем. Ошибки, возникшие при измерении параметров и расчетах, можно в небольших пределах поправить с помощью заполнения). Динамики для закрытых корпусов имеют мощные магниты и мягкие подвесы в отличие от головок для открытых ящиков. Формула для резонансной частоты динамика в оформлении объемом V Fс=Fs*SQRT(1+Vas/V) ,а приближенная формула, связывающая резонансные частоты и добротности головки в корпусе (индекс "с") и в открытом пространстве (индекс "s") Fc/Qtc=Fs/Qts
Другими словами, имеется возможность реализовать требуемую добротность акустической системы единственным способом, а именно выбором объема закрытого ящика. Какую добротность выбрать? Люди, которые не слышали звучания натуральных музыкальных инструментов, обычно выбирают колонки с добротностью более1,0. У колонок с такой добротностью (=1.0) наименьшая неравномерность частотной характеристики в области низших частот(а при чем здесь звук?), достигнутая ценой небольшого выброса на переходной характеристике. Максимально гладкая АЧХ получается при Q=0.7, а полностью апериодичная импульсная характеристика при Q=0.5. Hомограммы для расчетов можно взять в вышеприведенной книге.
[Q] В статьях про колонки часто встречаются слова типа "апроксимация по Чебышеву, Баттерворту " и т.п. Какое это имеет отношение к колонкам?
[A] Акустическая система представляет собой фильтр верхних частот. Фильтр может быть описан передаточной характеристикой. Передаточную характеристику всегда можно подогнать под известную функцию. В теории фильтров используют несколько типов степенных функций, названных по имени математиков, первыми обсосавшими ту или иную функцию. Функция определяется порядком(максимальным показателем степени, т.е. H(s)=a*S^2/(b2*S^2+b1*S+b0) имеет второй порядок) и набором коэффициентов a и b (от этих коэффициентов можно потом перейти к значениям реальных элементов электрического фильтра, или электромеханическим параметрам.) Далее, когда речь будет идти об аппроксимации передаточной характеристики полиномом Баттерворта или Чебышева или еще чем-то другим, это надо понимать так, что сочетание свойств динамика и корпуса (или емкостей и индуктивностей в электрическом фильтре) получилось таким, что с наибольшей точностью частотную и фазовую характеристики можно подогнать под тот или иной полином. Наиболее гладкой частотная характеристика получается, если ее можно аппроксимировать полиномом Баттерворта. Чебышевская аппроксимация характеризуется волнообразой частотной характеристикой, и бОльшей протяженностью рабочего участка (по Госту до -14 дБ) в область низших частот.
[Q] Какой вид аппроксимации выбрать для фазоинвертора?
[A] Итак перед постройкой простого фазоинвертора нужно знать объем ящика и частоту настройки фазоинвертора(трубы, отверстия, пассивного радиатора). Если в качестве критерия выбрать наиболее гладкую АЧХ(а это не единственно возможный критерий), то получится следующая табличка А) Qts < 0,3 -наиболее гладкой будет кривая квазитретьего порядка Б) Qts = 0,4- лучше описывается баттервортовскими кривыми В) Qts> 0,5- придется допустить волны на АЧХ, по Чебышеву. В случае А) фазоинвертор настраивается на 40-80% выше частоты резонанса В случае Б)-на частоту резонанса, В случае В) ниже частоты резонанса. Кроме того в этих случаях будет и различный объем корпуса.. Для того, чтобы найти точные частоты настройки, надо взять исходные формулы, достаточно громоздкие для того, чтобы приводить их здесь. Поэтому отсылаю интересующихся в АудиоМагазин за 1999 год, после этого ликбеза там уже можно будет разобраться, или в книги Алдошиной. И даже статьи Эфрусси в Радио за 69 год сгодятся.
Заключение
Если после прочтения всего этого у Вас еще осталось желание что-то склепать самому, то можно взять в Интернете какую-нибудь программку типа и рассчитать все это самому, памятуя о том, что из Г.. конфетку не сделать. Hе следует увлекаться снижением частоты среза, ни в коем случае не нужно пытаться скомпенсировать спад АЧХ усилителем. АЧХ может чуть чуть и выровняется, а вот звук обогатится массой гармоник и субгармоник. Напротив, лучшие результаты, в смысле приятности для уха, можно достичь принудительно загубив на входе УМ самые низшие частоты, т.е. частоты ниже частоты среза HЧ колонки. Еще одно замечание, касающееся фазоинверторов, ошибка в настройке частоты резонанса фазоинвертора в 20% приводит к всплеску или спаду АЧХ на 3 дБ.
Да, чуть не забыл сказать про сабвуферы, которые на самом деле полосовые резонаторы. Добротность динамиков для них должна быть еще ниже. Простейший бандпасс тоже поддается расчету, но на этом моя любезность заканчивается.
Внимание! Приведенная ниже методики действенна только для измерения параметров динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц, на более высоких частотах погрешность возрастает.
Для получения максимально достоверных результатов все измерения рекомендуется производить несколько раз (3-5раз), затем за результат принимается средне-арифметическое значение.
Перед измерением параметров динамик необходимо «размять». Дело в том, что у неработающего определенное время динамика или у нового динамика параметры будут отличаться, от тех которые мы измерим после того как динамик отыграет определенное время и будет регулярно работать. Поэтому смысл размятия динамика и заключается в получении достоверных параметров измерений. Бытует множество мнений как и сколько надо разминать: просто музыкой, синусоидальным сигналом (синусом) на частоте резонанса динамика Fs, синусом на 1000Гц, гонять синусом на разных частотах, белым и розовым шумом, использовать тестовые диски.
Как разминать решать Вам, - это дело Ваших возможностей и времени, но разминать обязательно нужно.
От себя посоветую разминать в течении суток в различных комбинациях выше пречисленных способов, начать стоит с синуса частоты собственного резонанса Fs (взятую из паспорта динамика) на максимальное количество времени, потом уже использовать остальные способы. Можно использовать тестовые диски, лучше те которые содержат как музыкальные так и технические треки, т.е. сгенерированные сигналы различной формы, частоты и мощности, причем начать лучше с технических треков. Желательно разминать динамик на 50-100% от номинальной мощности, всё зависит от ваших условий, ушей и нервов.
Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (корпус, ящик) являются параметры Тиля-Смолла.
Измерение резонансной частоты Fs, добротности динамика Qts и ее составляющих электрической и механической добротности Qes, Qms.
Метод 1
Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:
* Вольтметр
*Генератор сигналов звуковой частоты
*Частотомер
* Мощный (не менее 2 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
*Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
* Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.
Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение (например, это), способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности. Либо мне еще приходилось делать так, когда не было рядом компьютера: я нарезал на диск треки с частотами от 20-120Гц, потом крутил его на DVD подключенный усилителю и затем уже подключал подвешенный динамик через сопротивление.
Калибровка.
Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0,01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0,004 вольта.
Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора (усилителя) НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.
Определение Fs и Rmax
.
Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве, обычно его подвешивают (обычно на люстре) подальше от стен и различныз предметов. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно увеличивайте частоту генератора, начиная примерно с 20Гц, и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.
Определение Qms, Qes и Qts.
Эти параметры определяются по следующим формулам.
Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2 . Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx . Поскольку Rx всегда меньше Rmax , то и частот будет две - одна несколько меньше Fs , а другая несколько больше.
Определение сопротивление обмотки головки постоянному току Re.
Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re
. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re
можно замерить и непосредственно омметром.
Метод 2
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: резистор на 1кОм и - генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию. Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать). Подключаем вольтметр к точкам А и С (т.е. к выходу усилителя) , и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.
Подключаем вольтметр к точкам В и С (т.е. непосредственно к контактам динамика) и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, (как показано на рисунке ниже). Это и есть частота собственного резонанса динамика Fs
. Записываем Fs
и Us
-показания вольтметра.
Изменяя частоту вверх относительно Fs , находим частоты, на которых показания вольтметра постоянны и значительно меньше Us (при дальнейшем повышении частоты напряжение опять начнет увеличиваться, пропорционально увеличению импеданса динамика). Запишем это значение, Um .
График импеданса динамика в свободном пространстве и в закрытом ящике выглядит приблизительно так.
Вычисляем напряжение U12
по формуле: 
Изменяя частоту, добиваемся показаний на вольтметре соответствующие напряжению U12 , находим частоты F1 и F2.
Вычисляем акустическую или механическую добротность по формуле: 
Электрическую добротность: 
И, на конец, полную добротность: 
Метод 3 - Измерения параметров тиля-смолла при помощи фазоинвертора
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: калибровочного резистора Rk номиналом 10 Ом и активное сопротивление R, задающее ток в цепи, номиналом 1кОм. Можно взять сопротивления Rk и R других номиналов, выполняя условия:
Rk - может быть любым, но близким к Re
R/Re > 200
Где Re - сопротивления постоянному току звуковой катушки.
Измерения начинаются с наиболее точного определения сопротивления постоянному току звуковой катушки Re и калибровочного резистора Rk при помощи цифрового вольтметра или мультиметра.
Затем вместо динамика включаем калибровочный резистор Rk и измеряем напряжение Uk на нем. Напряжение, соответствующее сопротивлению звуковой катушки постоянному току, находим по формуле:
Где: Sd - эффективная излучающая поверхность диффузора, м2; Cms - относительная жесткость.
Излучающая поверхность диффузора для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна: Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.
Рассчитываем относительную жесткость Cms на основе полученных результатов по формуле:
М/Н (метров/Ньютон), где М - масса добавленных грузиков в килограммах.
Определение эквивалентного объема методом добавочного объема
Для определения эквивалентного объема динамика методом добавочного объема герметичный измерительный ящик с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать. Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. герметизируем все щели.
Затем нужно произвести измерения Fс
(резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить механическую и электрическую добротность Qmc
и Qec
и добротность динамика в измерительном ящике Qts"
(Qtс)
. После чего уже вычисляем эквивалентный объем по формуле: 
Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу: 
Где: Vb - объем измерительного ящика, м3.
Выполняем проверку: вычисляем 
и если измеренная в ящике Qts’=Qtc
, ну или почти равна, значит - все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.
Выводы
Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:
*1. Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
*2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
*3. Если соотношение Fs/Qts
у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет.
Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - Sd, Cms
и Lе
.
Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса.
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 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 (м 2) 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 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 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 этих параметров 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.
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 R e
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 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 F 1 и F 2 . 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 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 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:
Измерения 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.{mospagebreak}
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.
где М - масса добавленных грузиков в килограммах.
Исходя из полученных результатов V as (м 3) 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 Mms
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.
В это короткой информационной статье мы рассмотрим основные технические характеристики динамиков, которые необходимо знать при выборе автомобильной акустики или при изготовлении автомобильной акустики своими руками.
На картинке ниже показаны основные компоненты типичного звукового динамика:
Рассмотрим какими особенностями должны обладать хорошие звуковые динамики для автомобильной акустики.
Мощный динамик будет снабжен двумя раздельными звуковыми катушками, намотанными на одном и том же каркасе. Каждая катушка может быть подключена к отдельному каналу на стереоусилителе или они могут быть подключены последовательно или параллельно и запитаны от одного источника. Один DVC-динамик может быть использован вместо двух обычных динамиков тогда, когда свободное пространство в большой цене.
Фильтры
Фильтр — это электронная схема в устройстве аудиосистемы, которая позволяет определенным частот проходить одновременно, блокируя другие. Активные фильтры содержат компоненты, требующие дополнительного питания. Это, так называемые, операционные усилители (ОУ) и, как правило, они встраиваются перед главным усилителем. Пассивные фильтры не содержат компоненты требующих питания и обычно встраиваются между усилителем и динамиком.
Виды фильтров, которые обычно используются в конструкциях аудиосистем:
- Фильтры низких частот: пропускают нижние частоты, ослабляют высокие частоты.
- Фильтры высоких частот: высокие частоты пропускает, ослабляет низкие частоты.
- Регулируемые полосы пропускания: когда частоты за пределами определенного диапазона ослабляются.
Изобарная система динамиков
Название происходит от древнегреческого ἴσος — «одинаковый» и βάρος «тяжесть». Другими словами — распределенная нагрузка. Это метод с использованием двух динамиков, работающих в тандеме для достижения меньшего размера корпуса с учетом требований дизайна. Теоретически VAS (Эквивалентный объем динамика) в двойной системе будет вдвое меньше чем у двух отдельных динамиков, в результате чего расчетный размер корпуса также уменьшается вдвое. Чувствительность изобарной системы будет та же, что и у системы в один динамик, но вы потеряете в мощности SPL. Крепление по типу «Раскладушка», где динамики устанавливаются лицом к лицу и один динамик подсоединяется в противофазе к другому, похоже самая популярная изобарная система, используемая сегодня, так как она является самой простой в изготовлении.
Wife Acceptance Factor (WAF) — фактор одобрения женой
В общем случае, относится к элементам дизайна, которые повышают вероятность того, что ваша жена одобрит покупку дорогих продуктов потребительской электроники, таких как высококачественные акустические системы, домашние кинотеатры и персональные компьютеры и т.д. Стильные, компактные формы и привлекательные цвета, как правило, повышают уровень WAF. Термин является шутливым жаргонным сленгом в электронике и обозначает «Форм-фактор» и «Привлекательность форм» и происходит от гендерного стереотипа, что мужчины предрасположены ценить технические новинки по критериям эффективности, тогда как женщин привлекают визуальные и эстетические факторы. Другими словами, грубое измерение того, что вы можете вернуться домой к вашей благоверной и она не поднимет шума по поводу внешнего вида вашего приобретения.
Сабвуфер
Динамик предназначенный для воспроизведения низких звуковых частот на адекватной громкости. Большинство сабвуферов, или «сабов», как они обычно называются, предназначены для работы от 80 Гц и ниже до уровня где человеческое ухо может улавливать звуки. Бас-единицы небольших трех компонентных системы тоже обычно называют «сабвуферы», однако они зачастую имеют ограниченные возможности воспроизведения частот ниже 50 Гц или около того.
T/S (Тиэля Смолла) параметры
Свод терминов/параметров, обычно используемых в описании характеристик конкретного динамика. Наиболее распространенным T/S параметры с которыми мы сталкиваемся являются:
|
