Параметры тиля смолла где взять

6

Измерение и расчет параметров Тиля-Смолла

Самыми основными параметрами динамической головки, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (проще говоря – ящик) являются:

1. резонансная частота Fs (Гц)
2. эквивалентный объем Vas (л)
3. полная добротность Qts
4. сопротивление постоянному току Re (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится:

1. механическая добротность Qms
2. электрическая добротность Qes
3. площадь диффузора Sd (м 2 ) или его диаметр D (см)
4. чувствительность SPL (дБ)
5. индуктивность Le (Гн)
6. импеданс Z (Ом)
7. пиковая мощность Pe (Вт)
8. масса подвижной системы Mms (г)
9. относительная жесткость Cms (метров/ньютон)
10. механическое сопротивление Rms (кг/сек)
11. двигательная мощность BL

Основным измерением является нахождение Z-кривой на частоте резонанса, которую можно измерить, собрав следующее оборудование:

1. вольтметр;
2. генератор сигналов звуковой частоты;
3. мощный (5 Вт) резистор сопротивлением 1 кОм;
4. точный (±1%) резистор сопротивлением 10 Ом;

Большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты, но если такой нет, то понадобится еще и частотомер, включенный параллельно на выходе генератора. Вместо генератора можно использовать звуковую плату компьютера и программу с генератором.

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0,01 В. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в [Ом]. Например для калибровочного сопротивления 4 Ом напряжение должно быть 0,004 В. После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений. Измеряемый динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве.

Re – сопротивление динамика по постоянному току (Ом)

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

Fs – частота основного резонанса (Гц)

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. Показания вольтметра, умноженные на 1000, дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax. Получив похожую кривую импеданса, можно рассчитать остальные параметры.

Ro и Rx – промежуточные сопротивления для последующих расчетов (Ом)

Rx важный параметр, его можно рассчитать по двум формулам. В любом случае, значение Rx должно быть одинаковым:

Rmax – максимальное сопротивление (сопротивление на частоте резонанса);
Re – сопротивление динамика (измеряем точным тестером или на частоте 0 Гц).

Qms – механическая добротность

Fs – частота основного резонанса, найдена ранее;
Ro – промежуточное сопротивление, найдено ранее.
F₁ – первая частота на Z-кривой по уровню Rx;
F₂ – вторая частота на Z-кривой по уровню Rx.

Частоты F₁ и F₂ – это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две – одна меньше Fs, а другая больше. Проверить результаты расчетов можно по следующей формуле:

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

Qes – электрическая добротность

Qts – полная добротность

Мы нашли и рассчитали основные параметры, по которым можем сделать 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 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. Но при этом не обойтись без других, не менее важных параметров – Vas, Sd, Cms и L.

Sd – эффективная излучающая поверхность диффузора (м 2 )

П – число “пи” математическая постоянная, равная 3,14;
r – радиус, в данном случае 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.

L – индуктивность катушки динамика (Гн)

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000 Гц. Поскольку реактивная составляющая (XL) отстоит от активной Re на угол 90°, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

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

Z – сопротивление динамика на частоте 1000 Гц;
Re – сопротивление динамика (измеряем точным тестером или на частоте 0 Гц).

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

X_L – реактивное сопротивление, найденное оп предыдущей формуле;
П – число “пи” математическая постоянная, равная 3,14;
F – частота, на которой определяем индуктивность, обычно 1000 Гц.

Vas – эквивалентный объем

В домашних условиях проще использовать два метода определения эквивалентного объема динамкиа: 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.

Vas – метод добавочной массы

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

Cms – относительная жесткость на основе полученных результатов:

П – число “пи” математическая постоянная, равная 3,14;
Fs – резонансная частота без оформления, рассчитана выше (Гц);
F’s – резонансная частота без оформления с грузом (Гц);
M – масса в груза (кг).

Исходя из полученных результатов Vas рассчитывается по формуле (м 3 ):

Vas – метод добавочного объема

Для этого понадобится герметичный закрытый ящик с нужным отверстием под измеряемый динамик. Крепим динамик магнитом наружу. Объем ящика обозначен как Vb. Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Qmc, Qec и Qtc. Методика измерения полностью аналогична описанной выше динамика без оформления, рисуем такую же Z-кривую. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Vb – объем закрытого ящика;
Fс – резонансная частота динамика в ящике;
Qec – электрическая добротность динамика в ящике;
Fs – резонансная частота динамика без оформления;
Qes – электрическая добротность динамика без оформления.

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

Vb – объем закрытого ящика;
Fс – резонансная частота динамика в ящике;
Fs – резонансная частота динамика без оформления;

Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса. Приведенная выше методика действенна только для измерения параметров динамиков с резонансными частотами ниже 100 Гц, на более высоких частотах погрешность возрастает.

Самостоятельное измерение параметров Тиля-Смолла

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

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

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

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

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

Для проведения измерений этих параметров 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.

Схема для измерений

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

Нахождение Re

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

Нахождение Fs и Rmax

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

Нахождение Qms, Qes и Qts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

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

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

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 — Vas, Sd, Cms и L.

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 (XL) отстоит от активной Re на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

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

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

Измерения Vas

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

Нахождение Vas методом добавочной массы

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

Затем необходимо рассчитать Cms на основе полученных результатов по формуле:

где М — масса добавленных грузиков в килограммах.

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

Нахождение Vas методом добавочного объема

Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. Объем ящика обозначен как Vb.

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

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 Cms

Где Sd – 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.

Параметры Тиля-Смолла и акустическое оформление динамика.

Параметры Тиля-Смолла и акустическое оформление динамика.

В предыдущей части нашего разговора выяснилось, чем хороши различные типы акустического оформления и чем плохи. Казалось бы, теперь "цели ясны, за работу, товарищи.." Не тут-то было. Во-первых, акустическое оформление, в которое не установлен собственно динамик — всего лишь с той или иной степенью тщательности собранная коробка. А зачастую и собрать-то ее нельзя, пока не будет определено, какой динамик окажется в нее установлен. Во-вторых, и в этом главная потеха в проектировании и изготовлении автомобильных сабвуферов — характеристики сабвуфера немногого стоят вне контекста характеристик, хотя бы самых основных, автомобиля, где он будет работать. Есть еще и в-третьих. Мобильная акустическая система, одинаково приспособленная для любой музыки — редко достигаемый идеал. Грамотного установщика можно узнать обычно по тому, что, "снимая показания" с клиента, заказывающего аудиоустановку, он просит принести образцы того, что клиент будет слушать на заказанной им системе после ее завершения.

Как видно, факторов, влияющих на решение — очень много и свести все к простым и однозначным рецептам нет никакой возможности, что и превращает создание мобильных аудиоустановок в занятие сильно родственное искусству. Но некоторые общие ориентиры наметить все же можно.

Робких, ленивых и гуманитарно образованных спешу предупредить — формул практически не будет. Покуда возможно, попытаемся обойтись даже без калькулятора — забытым методом устного счета.

Сабвуферы — единственное звено автомобильной акустики, где измерение гармонии алгеброй — дело небезнадежное. Прямее скажу — без расчета спроектировать сабвуфер просто немыслимо. В качестве же исходных данных для этого расчета выступают параметры динамика. Какие? Да уж не те, которыми вас гипнотизируют в магазине, будьте уверены! Для расчета, даже самого приблизительного, характеристик низкочастотного громкоговорителя требуется знать его электромеханические параметры, которых — тьма. Это и резонансная частота, и масса подвижной системы, и индукция в зазоре магнитной системы и еще по меньшей мере два десятка показателей, понятных и не очень. Расстроены? Неудивительно. Так же расстроены оказались лет около двадцати назад два австралийца — Ричард Смолл и Невил Тиль. Они предложили вместо гор цифири использовать универсальный и довольно компактный набор характеристик, увековечивший, вполне заслуженно, их имена. Теперь, когда вы увидите в описании динамика таблицу, озаглавленную Thiel/Small parameters ( или просто T/S) — вы знаете, о чем речь. А если такой таблицы вы не найдете — переходите к следующему варианту — этот — безнадежен.

Минимальный набор характеристик, которые вам понадобится выяснить — это:

Собственная резонансная частота динамика Fs

Полная добротность Qts

Эквивалентный объем Vas.

В принципе, есть и другие характеристики, которые полезно было бы знать, но этого, в общем-то, хватит. (сюда не включен диаметр динамика, поскольку его и так видно, без документации.) Если хотя бы одного параметра из "чрезвычайной тройки" нехватает, дело — швах. Ну а теперь — что все это означает.

Собственная частота — это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется — динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик — массы подвижной системы и жесткости подвески. Бытует мнение, что чем ниже резонансная частота, тем лучше выйдет сабвуфер. Это верно только отчасти, для некоторых конструкций излишне низкая частота резонанса — помеха. Для ориентира: низкая — это 20 — 25 Гц. Ниже 20 Гц — редкость. Выше 40 Гц — считается высокой, для сабвуфера.

Полная добротность. Добротность в данном случае- не качество изделия, а соотношение упругих и вязких сил, существующих в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Подвижная система динамика во много сродни подвеске автомобиля, где есть пружина и амортизатор. Пружина создает упругие силы, то есть накапливает и отдает энергию в процессе колебаний, а амортизатор — источник вязкого сопротивления, он ничего не накапливает, а поглощает и рассеивает в виде тепла. То же самое происходит при колебаниях диффузора и всего, что к нему прикреплено. Высокое значение добротности означает, что преобладают упругие силы. Это — как автомобиль без амортизаторов. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Прыгать на той самой резонансной частоте, которая присуща этой колебательной системе.

Применительно к громкоговорителю это означает выброс частотной характеристики на частоте резонанса, тем больий, чем выше полная добротность системы. Самая высокая добротность, измеряемая тысячами — у колокола, который в результате ни на какой частоте, кроме резонансной звучать не желает, благо еще, что этого от него никто и не требует.

Популярный метод диагностики подвески машины покачиванием — не что иное как измерение добротности подвески кустарным способом. Если теперь привести подвеску в порядок, то есть прицепить параллельно пружине амортизатор, накопленная при сжатии пружины энергия уже не вся вернется обратно, а частично будет загублена амортизатором. Это — снижение добротности системы. Теперь опять вернемся к динамику. Ничего, что мы туда-сюда ходим? Это, говорят, полезно…С пружиной у динамика все, вроде бы, ясно. Это — подвеска диффузора. А амортизатор? Амортизаторов — целых два, работающих параллельно. Полная добротность динамика складывается из двух: механической и электрической. Механическая добротность определяется главным образом выбором материала подвеса, причем в основном — центрирующей шайбы, а не внешнего гофра, как иногда полагают. Больших потерь здесь обычно не бывает и вклад механической добротности в полную не превышает 10 — 15%. Основной вклад принадлежит электрической добротности. Самый жесткий амортизатор, работающий в колебательной системе динамика — это ансамбль из звуковой катушки и магнита. Будучи по своей природе электромотором, он как и полагается мотору, может работать как генератор и именно этим и занят вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда перемещения звуковой катушки — максимальны. Двигаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает ток, а нагрузкой для такого генератора служит выходное сопротивление усилителя, то есть практически — ноль. Получается такой же электрический тормоз, каким снабжены все электрички. Там тоже при торможении тяговые двигатели заставляют работать в режиме генераторов, а нагрузка их — батареи тормозных сопротивлений на крыше.

Величина вырабатываемого тока будет, естественно, тем больше, чем сильнее магнитное поле, в котором движется звуковая катушка. Получается, что чем мощнее магнит динамика, тем ниже, при прочих равных, его добротность. Но, конечно, поскольку в формировании этой величины участвуют и длина провода обмотки, и ширина зазора в магнитной системе, окончательный вывод только на основании размера магнита было бы делать преждевременно. А предварительный — почему нет?…

Базовые понятия — низкой считается полная добротность динамика меньше 0,3 — 0,35; высокой — больше 0,5 — 0,6.

Эквивалентный объем. Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе "акустического подвеса".

У нас их иногда называют "компрессионными", что неправильно. Компрессионные головки — это совсем другая история, связанная с применением в роли акустического оформления рупоров.

Концепция акустического подвеса заключается в установке динамика в такой объем воздуха, упругость которого сопоставима с упругостью подвеса динамика. При этом получается, что в параллель к уже имеющейся в подвеске пружине поставили еще одну. Эквивалентным объемом будет при этом такой, при котором веновь появившаяся пружина равна по упругости уже имевшейся. Величина эквивалентного объема определяется жесткостью подвеса и диаметром динамика. Чем мягче подвес, тем больше будет величина воздушной подушки, присутствие которой начнет беспокоить динамик. То же происходит с изменением диаметра диффузора. Большой диффузор при одном и том же смещении будет сильнее сжимать воздух внутри ящика, тем самым испытывая большую ответную силу упругости воздушного объема.

Именно это обстоятельство зачастую определяет выбор размера динамика, исходя из имеющегося объема для размещения его акустического оформления. Большие диффузоры создают предпосылки для высокой отдачи сабвуфера, но требуют и больших объемов. Аргумент из репертуара комнаты в конце школьного коридора "а у меня больше" здесь надо применять осмотрительно.

У эквивалентного объема интересные родственные связи с резонансной частотой, без осознания которых легко промахнуться. Резонансная частота определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем — диаметром диффузора и той же жесткостью.

В результате возможна такая ситуация. Предположим, имеется два динамика одинакового размера и с одинаковой частотой резонанса. Но только у одного из них это значение частоты получилось вследствие тяжелого диффузора и жесткой подвески, а у другого — наоборот, легкого диффузора на мягком подвесе. Эквивалентный объем у такой парочки при всей внешней схожести может различаться очень существенно, и при установке в один и тот же ящик результаты будут драматически различны.

Итак, установив, что означают жизненно важные параметры, начнем наконец выбирать суженого. Модель будет такая — считаем, что вы определились, на основе, скажем, материалов предыдущей статьи этой серии, с типом акустического оформления и теперь надо выбрать для него динамик из сотен альтернатив. Освоив этот процесс, обратный, то есть выбор подходящего оформления под выбранный динамик, дастся вам без труда. В смысле — почти без труда.

Закрытый ящик

Как было сказано в приведенной статье, закрытый ящик — простейшее акустичнское оформление, но далеко не примитивное, напротив, имеющее, в особенности в автомобиле, ряд важнейших преимуществ перед другими. Популярность его в мобильных приложениях нисколько не угасает, потому с него и начнем.

Что происходит с характеристиками динамика при установке в закрытый ящик? Это зависит от одной-единственной величины — объема ящика. Если объем настолько велик, что динамик его практически не замечает, мы приходим к варианту бесконечного экрана. На практике такая ситуация достигается, когда объем ящика (или другого замкнутого объема, находящегося позади диффузора, а проще говоря, что там скрывать — багажника автомобиля) превышает эквивалентный объем динамика втрое или больше. Если такое соотношение выполняется, резонансная частота и полная добротность системы останутся практически такими же, какими они были у динамика. А значит — их и выбирать надо соответственно. Известно, что акустическая система будет обладать наиболее гладкой частотной характеристикой при величине полной добротности, равной 0,7. При меньших значениях улучшаются импульсные характеристики, но спад частотки начинается довольно высоко по частоте. При больших — частотная характеристика приобретает подъем вблизи резонанса, а переходные характеристики несколько ухудшаются. Если вы ориентируетесь на классическую музыку, джаз или акустические жанры — оптимальным выбором будет несколько передемпфированная система с добротностью 0,5 — 0,7. Для более энергичных жанров не повредит подчеркивание низов, которое достигается при добротности 0,8 — 0,9. И наконец, любители рэпа оттянутся по полной программе, если из система будет обладать добротностью, равной единице или даже выше. Значение 1,2 надо, пожалуй, признать предельным для любого жанра, претендующего на музыкальность.

Надо еще иметь в виду, что при установке сабвуфера в салоне машины происходит подъем низких частот, начиная с определенной частоты, обусловленной размерами салона. Типичные значения для начала подъема АЧХ 40 Гц для большой машины, вроде джипа или мини-вэна; 50 — 60 для средней, вроде восьмерки или "корейки"; 70 — 75 для маленькой, с Таврию.

Теперь ясно — для установки в режиме бесконечного экрана ( или Freeair, если вас не смущает, что последнее название запатентовано Stillwater Designs) нужен динамик с полной добротностью не ниже 0,5, а то и выше и резонансной частотой никак не ниже герц эдак 40 — 60, в зависимости от того, во что будете ставить. Такие параметры обычно означают довольно жесткий подвес, только это и спасает динамик от перегрузки в условиях отсутствия "акустической поддержки" со стороны закрытого объема. Вот пример — фирма Infinity выпускает в сериях Reference и Kappa варианты одних и тех же головок с индексами br (bass reflex) и ib (infinite baffle).Параметры Тиля-Смолла, например, у десятидюймовой Reference различаются так:

Параметр T/S 1000w.br 1000w.ib

Видно, что вариант ib по резонансной частоте и добротности — готовенький для работы "как есть", а судя и по частоте резонанса и по эквивалентному объему — эта модификация намного жестче другой, оптимизированной для работы в фазоинверторе, а, значит, более вероятно выживет в нелегких условиях Freeair.

А что случится, если, не обратив внимания на маленькие буковки, вы загоните в эти условия похожий, как две капли воды динамик с индексом br? А вот что: из-за низкой добротности частотная характеристика начнет заваливаться уже на частотах около 70 — 80 Гц, а ничем не сдерживаемая "мягкая" головка будет себя чувствовать очень неуютно на нижнем краю диапазона, причем перегрузить ее там — проще простого.

Для применения в режиме "бесконечного экрана" надо выбирать динамик с высокой полной добротностью (не меньше 0,5) и резонансной частотой (не ниже 45 Гц), уточнив эти требования в зависимости от типа преимущественного музыкального материала и размера салона.

Теперь о "небесконечном" объеме. Если поставить динамик в объем, сопоставимый с его эквивалентным объемом, система приобретет характеристики, существенно отличающиеся от тех, с которыми в эту систему явился динамик. Прежде всего при установке в закрытый объем возрастет резонансная частота. Жесткость-то увеличилась, а масса — осталась прежней. Возрастет и добротность. Судите сами — приставив в помощь жесткости подвеса жесткость небольшого, то есть неподатливого воздушного объема, мы тем самым как бы поставили вторую пружину, а амортизатор оставили старый.

С уменьшением объема добротность системы и ее резонансная частота растут одинаково. Значит, если мы увидели динамик с добротностью, скажем, 0,25, а хотим иметь систему с добротностью, скажем, 0,75, то резонансная частота тоже увеличится втрое. А какая она там у динамика? 35 Гц? Так значит, в правильном, с точки зрения формы частотной характеристики, объеме она окажется 105 Гц, а это, знаете ли, уже не сабвуфер. Значит — на подходит. Вот видите, и калькулятор не понадобился. Смотрим другой. Резонансная частота 25 Гц, добротность 0,4. Получается система с добротностью 0,75 и частотой резонанса где-то около 47 Гц. Вполне достойно. Попробуем тут же, не отходя от прилавка, прикинуть, какого объема понадобится ящик. Написано, что Vas = 160 л (или же 6 cu.ft, что более вероятно).

(Тут бы формулу написать — она простенькая, но нельзя — обещал). Поэтому для расчетов у прилавка дам шпаргалку: скопируйте и положите в бумажник, если покупка басового динамика входит в планы вашего шопинга:

Резонансная частота и добротность возрастут в Если объем ящика составляет от Vas

У нас — примерно вдвое, так что получается ящичек объемом литров 50 — 60. Многовато будет….Давайте следующий. И так далее.

Получается, что для того, чтобы вышло мыслимое акустическое оформление, параметры динамика мало того, что должны находиться в каком-то определенном коридоре значений, но еще и быть увязаны между собой.

Эту увязку опытные люди свели в показатель Fs/Qts.

Если величина Fs/Qts составляет 50 или меньше, динамик рожден для закрытого ящика. Необходимый объем ящика при этом будет тем меньше, чем ниже Fs или чем меньше Vas.

По внешним данным "прирожденных затворников" можно узнать по тяжелым диффузорами и мягким подвесам (что дает низкую резонансную частоту), не очень большим магнитам (чтобы добротность была не слишком низкой), длинным звуковым катушкам (поскольку ход диффузора у динамика, работающего в закрытом ящике, может достигать довольно больших значений).

Фазоинвертор

Другой тип популярного акустического оформления — фазоинвертор, при всем горячем желании у прилавка посчитать нельзя, даже приблизительно. Но прикинуть пригодность для него динамика — можно. А про расчет мы вообще будем говорить отдельно.

Резонансная частота системы этого типа определяется уже не одной только резонансной частотой динамика, но и настройкой фазоинвертора. Это же относится и к добротности системы, которая может существенно меняться с изменением длины тоннеля даже при неизменном объеме корпуса. Поскольку фазоинвертор может быть, в отличие от закрытого ящика, настроен на частоту, близкую или даже ниже, чем у динамика, собственной резонансной частоте головки "позволено" быть выше, чем в предыдущем случае. Это означает, при удачном выборе, более легкий диффузор и, как следствие, улучшение импульсных характеристик, в чем фазоинвертор нуждается, поскольку его "врожденные" переходные характеристики не из лучших, хуже, чем у закрытого ящика, по крайней мере. Зато добротность желательно иметь возможно ниже, не больше 0,35. Сводя это в тот же показатель Fs/Qts, формула выбора динамика для фазоинвертора выглядит просто:

Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше.

Внешние признаки фазоинверсной породы: легкие диффузоры и мощные магниты.

Бандпассы (совсем коротко)

Полосовые громкоговорители, при всех своих громких достоинствах (это в смысле наибольшей эффективности, в сравнении с другими типами) — наиболее сложны в расчете и изготовлении, а согласование их характеристик с внутренней акустикой автомобиля при недостаточном опыте может превратиться в кромешный ад, поэтому с этим видом акустического оформления лучше идти по камушкам и воспользоваться рекомендациями изготовителей динамиков, хоть это и связывает руки. Однако, если руки все же находятся в развязанном состоянии и чешутся попробовать: для одиночных бандпассов подходят практически те же динамики, что и для фазоинверторов, а для двойных или квазиполосовых — они же или, что более желательно, головки с показателем Fs/Qts равным 100 и выше.

Как измерить параметры Тиля-Смолла динамиков с помощью ПК и выбрать для них правильный корпус

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:

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.