Что такое резонансная частота динамика

8

Параметры электродинамических головок

Прежде чем делать ящик для сабфувера нужно выбрать динамическую головку, под которую, собственно, и будут рассчитаны его основные физические параметры. Для выбора динамика необходимо знать как можно больше его электромеханических параметров.

Абсолютный минимум данных это:

• Резонансная частота динамика F_s
• Полная добротность Q_ts
• Эквивалентный объем V_as

Если же вы не знаете хотя бы одного из этих параметров динамиков, а самому их измерить у вас нет возможности — браться за этот динамик не стоит. Ничего путного вы сделать, скорее всего, не сможете. Хотя некоторые производители их указывают на коробке, но надо понимать, что они могут быть усреднены.

Резонансная частота (F_s)

Давайте сначала ответит на вопрос, что такое резонансная частота динамика (один из самых важных основных параметров):

Она измеряется без какого-либо акустического оформления — 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 (Q_ts)

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

Эквивалентный объем (V_as)

Начнем с определения эквивалентного объема. Что это такое?

Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе «акустического подвеса». 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 вновь 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. 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.

Качественное звучание в автомобиле? С сабвуфером это очень просто!

Вас никогда не интересовало, почему порой сабвуфер звучит тихо, или не играет, а только гудит, почему невозможно добиться качественного и плотного баса? Вы никогда не задавались вопросом, какие ключевые параметры наилучшим образом характеризуют качество сабвуфера? Впрочем, возможно вам это просто не интересно, так как вы не собираетесь проектировать правильное акустическое оформление для автомобильного сабвуферного динамика. Только в таком случае невозможно будет найти правильные ответы на перечисленные выше вопросы. Поэтому вспомните истину – знания лишними не бывают.

Прежде всего, что это такое сабвуфер и зачем нужен, можно ли без него обойтись… Так вот, сабвуфер является отдельной акустической системой, которая предназначается для полноценного и качественного воспроизведения низкочастотного звукового диапазона, примерно от 5-ти до 80-ти Гц. Применение сабвуферов вызвано тем, что звук относительно плохо локализуется. Соответственно, изготавливая многополосную аудиосистему можно собрать одну относительно небольшую низкочастотную колонку для всей системы, в остальных колонках разместить только динамики средней и высокой частоты.

Можно ли обойтись без сабвуфера? Безусловно, можно. Внимательно осмотрите любой автомобиль старой модели. Если там и есть аудиосистема, то довольно примитивная. Сабвуфера там точно нет. А теперь послушайте звучание. Хотите обходиться без сабвуфера, получите точно такое же звучание. И все усилия по его улучшению не будут иметь положительного результата. Обычная акустика просто не способна обеспечить настоящие баса, а без них вы будете слышать только жалкую пародию на качественное, яркое и сочное звучание.

И только сабвуфер, разгрузив акустику в низкочастотном диапазоне, «освободив» фронтальную акустику от перегрузок басами, значительно повысит качество звучания, обеспечивая приятное прослушивание любимых музыкальный произведений вам и вашим попутчикам, особенно во время длительных автомобильных путешествий.

Основные параметры сабвуфера.

Понимание основных параметров сабвуферной акустической системы может понадобиться вам как при самостоятельном проектировании и изготовлении ящика для своего сабвуфера, так и при покупке готового сабвуфера. Набор минимальной информации для расчета и приобретения сабвуферной акустики состоит из резонансной частоты динамика (Fs), полной добротности (Qts) и эквивалентного объема (Vas). Незнание даже одного из приведенных параметров не позволит ни собрать акустику самостоятельно, ни выбрать сабвуфер высокого качества. Обратите внимание, что замерить эти показатели в домашних условиях невозможно.

Резонансная частота – Fs.

Резонансной частотой динамика принято считать частоту резонанса динамика свободного от любого акустического оформления. Измерение резонансной частоты выполняется следующим образом. Динамик подвешивается на как можно отдаленном расстоянии от ближайших окружающих предметов. В таком случае на показания измерений резонанса динамика не будут влиять сторонние предметы, а будет только показывать его собственные характеристики в зависимости от жесткости подвески и массы подвижной системы. Существует мнение, что сабвуфер получится наиболее качественный, чем ниже показатель резонансной частоты. Мнение является правильным только отчасти. В некоторых конструкциях очень низкая частота резонанса является больше помехой. Ориентировочно, оптимальной низкой частотой является 20 – 25 Гц. Резонансную частоту, превышающую 40 Гц, принято считать высокой для сабвуфера.

Полная добротность – Qts.

В данном случае добротность не имеет никакого отношения к качеству изделия. Этот показатель применяется для измерения соотношения упругих и вязких сил, которые существуют в подвижной системе динамика около частоты резонанса. Подвижную систему динамика можно сравнить с подвеской автомобиля, в состав которой входит пружина и амортизатор. С помощью пружины создаются упругие силы, то есть происходит накопление и выделение энергии в процессе колебаний. Амортизатор является источником вязкого сопротивления. В отличие от пружины амортизатор не накапливает энергии, а поглощает ее и рассеивает в виде тепла.

Подобные процессы происходят и при колебаниях диффузора и всех прикрепленных к нему деталей. Высокое значение показателя добротности означает преобладание упругих сил. Это похоже на автомобиль без амортизаторов. Любой камешек или рытвина на дороге вызовет ничем не сдерживаемые прыжки колеса и довольно неприятные ощущения у водителя. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Можно сказать, что колебания колеса будут происходить с резонансной частотой, присущей именно этой колебательной системе.

Относительно громкоговорителя, в этой ситуации происходит выброс частотной характеристики на частоте резонанса. Чем выше значение полной добротности системы, тем больше значение выброса. Самой высокой добротностью, в пределах тысяч единиц, обладает колокол. Соответственно, колокол может звучать исключительно на резонансной частоте. Собственно, в этом его и состоит его предназначение. Измерение добротности подвески кустарным образом можно сравнить с популярным методом диагностики подвески автомобиля его покачиванием.

Если параллельно пружине присоединить амортизатор, фактически отремонтировать подвеску, энергия, накопленная в процессе сжатия пружины, частично будет поглощена амортизатором, и возвратится только малая ее часть. Таким образом, добротность системы будет снижена. Если вернуться к динамику, то становится понятным, что подвеска диффузора выполняет роль своеобразной пружины. Амортизаторов у динамика целых два. Работают они параллельно. А полная добротность динамика равна сумме двух показателей – механической и электрической добротности.

Добротность механическая зависит, прежде всего, от выбранного материала подвеса, в основном, центрирующей шайбы. Именно материал шайбы, а не внешнего гофра, определяет показатель механической добротности. Как правило, больших потерь в механической составляющей не наблюдается. Соответственно, удельный вес механической добротности в полной не превышает 10 – 15 процентов. Основную долю составляет значение электрической добротности. Самым жестким амортизатором, который работает в колебательной системе динамика, является комплекс магнита и звуковой катушки. Являясь фактически электромотором, этот комплекс может работать как генератор, работающий около частоты резонанса, при максимальной скорости и амплитуде перемещений звуковой катушки.

При движении в магнитном поле, в катушке вырабатывается ток. Нагрузкой для этого генератора является выходное сопротивление усилителя, равное практически нулю. Получается электрический тормоз подобный тем, какими комплектуются все электрички. При торможении электрички тяговые двигатели начинают функционировать как генераторы, нагрузкой которого является батарея тормозных сопротивлений, расположенная на крыше. Чем сильнее магнитное поле, в котором колеблется звуковая катушка, тем большим будет значение вырабатываемого тока.

Таким образом, добротность динамика является обратно пропорциональной мощности его магнита – чем мощнее магнит, тем ниже добротность. Однако, такой вывод верен при отсутствии других составляющих. Так как на добротность влияет и ширина зазора в магнитной системе, и длина провода обмотки, то не стоит учитывать при окончательных расчетах только размеры магнита. Принято считать, что низкая полная добротность динамика не превышает 0,3 – 0,35, высокая составляет более 0,5 – 0,6.

Эквивалентный объем – Vas.

И наконец, последняя характеристика – эквивалентный объем. Современные головки преимущественно конструируются с учетом принципа «акустического подвеса». Суть концепции акустического подвеса состоит в размещении динамика в определенном объеме воздуха, показатель упругости которого можно сопоставить с показателем упругости подвеса динамика. Фактически получается, что параллельно уже установленной пружине в подвеске размещается еще одна. При этом значение эквивалентного объема будет таким, при котором новая пружина равняется по упругости установленной ранее.

На величину эквивалентного объема в большей степени оказывают влияние жесткость подвеса и диаметр динамика. Величина воздушной подушки, которая начинает беспокоить динамик, будет тем больше чем мягче подвес. Так же происходит и изменение диаметра диффузора. Диффузор большого диаметра при одном и том же смещении сильнее сжимает воздух внутри ящика, соответственно, при этом испытывает максимальную ответную упругость воздушного объема. Собственно говоря, именно такая ситуация зачастую является определяющей при выборе размера динамика, учитывая имеющийся объем для размещения акустического оформления.

Диффузор большого диаметра создает предпосылки для более высокой отдачи сабвуфера, однако требует и большего объема. Эквивалентный объем очень интересно связан с резонансной частотой. Не зная их взаимного влияния, легко ошибиться в расчетах. Жесткость подвеса и масса подвижной системы определяют резонансную частоту. Диаметр диффузора, а также жесткость подвеса определяют эквивалентный объем.

Как результат может быть возможной следующая ситуация. Предположительно существуют два динамика абсолютно одинакового размера и с абсолютно одинаковой частотой резонанса. Однако у одного из динамиков частота резонанса сформирована за счет жесткой подвески и тяжелого диффузора. Во втором наоборот – имеется легкий диффузор и мягкий подвес. При внешней схожести этих динамиков существенно может отличаться значение эквивалентного объема, что может привести к непредсказуемым последствиям при установке динамиков в одинаковые ящики.

Автозвук: основные определения и термины

Любая автомобильная акустика имеет свои особенности и нюансы. При выборе акустической системы необходимо предварительно изучить характеристики и понимать, на что будет оказывать влияние тот или иной параметр.

Основные определения и характеристики

Существуют основные характеристики автозвука:

• частотный диапазон;
• мощность максимальная;
• мощность номинальная;
• чувствительность;
• импенданс;
• резонансная частота;
• сопротивление;
• Qts;
• Vas.

Частотный диапазон

В автомобильной акустике предусмотрены 2-полосные, 3-полосные динамики, также имеются устройства с большим количеством данного показателя. Что такое частотный диапазон? Это характеристика частот (низкие, средние, высокие), которые влияют характеризуют воспроизведение звука в динамиках. Если разобраться, на что влияет частотный диапазон, станет понятно, что восприятие всего спектра звучания становится более полным, и можно выделить отдельные инструменты или вокал.

Как правило, один из динамиков воспроизводит низкие и средние частоты — «мидбас», второй — высокие.

Максимальная мощность

Данный термин характеризуется максимумом звука, который устройство может выдать за небольшой промежуток времени. Соответственно, чем выше показатель, тем громче и мощнее будет звук. На упаковках указывают среднеквадратический показатель — для максимальной мощности его обозначают как РМРО.

Номинальная мощность

Одна из наиболее важных характеристик, на который стоит обращать внимание при покупке устройства автозвука. Номинальную мощность характеризует показатель максимальной длительности звучания динамиков без искажения звука. На коробке маркируют как RMS.

Чувствительность

Показатель звукового давления, развиваемого в определенной точке при подведении к зажимам напряжения даёт точный ответ на вопрос «Что такое чувствительность динамика?», где нормальным диапазоном считаются предельные значения 84-97 дБ. На что влияет чувствительность динамика? Если обобщить, то данный параметр характеризует уровень громкости, который возможен при заданном уровне мощности.

Импенданс

Важным параметром при выборе автомобильной акустики является импенданс. Это показатель, характеризующий уровень электрического сопротивления по переменному току. Согласованность по импендансу динамиков и усилителя и гарантирует долговечность и безопасную работу данных приборов. Считается, что высокий уровень импенданса меньше искажает звучание.

Резонансная частота

Что такое резонансная частота динамика? В данном случае подразумевается показатель частоты резонанса низкочастотной головки без упаковки. Ее измеряют при помощи подвешивания динамика и определяют резонанс.

Резонансная частота динамика зависит:

• от массы его подвижной системы;
• от жесткости подвеса.

Качественный сабвуфер характеризуется низкими частотами: 20-25 Гц.

Сопротивление

Что такое сопротивление динамика? Это сопротивление динамика по постоянному току. Довольно часто этот термин путают или объединяют с импендансом, но это не совсем корректно. Импенданс — это сопротивление по переменному току, и именно эта величина является точной. Сопротивление динамика, что значит ориентировочная цифра, поскольку правильные расчеты проводят по показателям переменного тока.

Сопротивление динамика влияет на:

• безопасность работы динамика и усилителя;
• уровень искажаемости звука.

Показатель соотношения упругих вязких сил, которые существуют в подвижной системе низкочастотной головки возле резонанса частоты. Считается, что это добротность системы, которая прямо пропорциональна упругим силам. Соответственно, чем больше показатель добротности, тем выше преобладание упругих сил. Низкая добротность — 0,3, высокая — от 0,5.

Принцип так называемого акустического подвеса точно отвечает на вопрос «Что такое Vas динамика». Он заключается в подборе необходимого количества воздуха, при котором упругость подвеса громкоговорителя и акустического будут совпадать. Как рассчитать Vas динамика: показатель складывается из величины жёсткости подвеса и диаметра динамика.

Изготовление домашнего сабвуфера: Часть 3 “Подготовительный этап — выбор динамика для сабвуфера”

T еперь стоит позаботится о «сердце» сабвуфера — динамической головке. Сразу предупрежу — как он выглядит, размер магнита и прочие визуальные параметры нас вообще не интересуют (тем более его видно и не будет), только лишь размеры. А вот факторы, влияющие на звук, например параметры Тиля-Смолла (набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамика в НЧ диапазоне) нам будут очень кстати.

Опять немного теории (если интересно).

Речь пойдёт о том, что важно знать об акустике на самом деле. А именно — о знаменитых параметрах Тиля — Смола.

K ому 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.

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).

K ак 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.

B от 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

M ощность 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. 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. По этому поводу мы тут поставили несколько вычислительных экспериментов, кому интересно — посмотрите.

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

K ак измеряют Vas — история отдельная, там есть забавные повороты. 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.

ВЕШАТЬ ИЛИ НЕ ВЕШАТЬ?

O бразное 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

M ежду 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.

Выбор

Итак, если Вы прочитали статью, то поняли, что искать головку нам нужно по трём основным параметрам:

· Полная добротность (QTS) — и чем она меньше — тем лучше. Я выбирал менее 0,5.

· Эквивалентный объём (Vas) — ну и при больших и при малых значениях есть своя выгода, так что никакой определённости на этом шаге.

· Резонансная частота (Fs) — для сабвуфера не должны выходить из диапазона 20–50 Гц.

Ходил на рынок 2 раза, один из них — безуспешный обзор имеющегося товара, очень пригляделся Mystery MO-12S, и очень хорошие отзывы покупателей в интернете, за исключением отзывов о ужасной центрирующей шайбе.

Далее от друзей узнал о «псевдоотечественной» головке под названием Ural AS-D12.3. Отзывы — в самом худшем случае положительные, цена — идеальная — 2500 рублей. Не долго думая отправился на радиорынок и купил сей товар.

Преимущества данного динамика:

· Диапазон воспроизводимых частот: 23–250 Гц

· Чувствительность: 92 Дб

· Магнитная система: 2 кольцевых магнита 140х20

· Звуковая катушка: количество катушек — 2, тип — TSV (понятия не имею что это значит), диаметр — 50 мм, кол-во слоёв — 4;

· Диффузор: материал диффузора — шубированная целлюлоза, подвес — вспененный полиуретан;

· Диаметр: 12 дюймов

· Корзина: литая рама

Параметры Тиля — Смолла:

Это параметры из документации, идущей в комплекте с «головкой». Одной из приятных особенностей является наличие двойной звуковой катушки (каждая по 4 Ом), что не является повышением качества звука или выдаваемой мощности, это всего лишь делает голову многофункциональной, например, если у Вас есть двухканальный усилитель, можно соединить контакты катушки последовательно (от + первой катушки к — второй, и от + второй к — первой), и произвести мостовое подключение к усилителю (с плюса правого канала на минус левого), тем самым создав нагрузку в 4 Ом (сумма катушек пополам). Можно подключить катушку к каждому каналу усилителя, но в этом случае необходима согласованность каналов (моно-сигнал на входе и 100%-ый баланс каналов), иначе беды не избежать. Собственно, что первый способ, что второй — смысл не меняется, общий импеданс равен 4 Ом.

Более интересным подключением является запараллеливание звуковых катушек (+ к + и — к –) которое позволяет увеличить принимаемую динамиком мощность, но было бы всё так просто! Многие домашние усилители не способны работать с такой низкой нагрузкой (близкой к короткому замыканию) и, в зависимости от типа усилителя, произойдёт ответное действие — или сработает механизм защиты, или выходные транзисторы (микросхемы) сгорят. Лично у меня усилитель подразумевает нормой работу в 2-ухомном режиме, но поканально! В мостовом режиме не пробовал и не собираюсь. Что же касается автомобильных усилителей (тем более моноблоков) — так это просто рай для сабвуферов. Попробую объяснить.

Если для домашнего усилителя является (безопасной) нормой работа в 4, 6, 8 и т.д. Ом, то автомобильные безупречно работают в 4, 2, 1 и даже 0,5 Омном режиме. Бытует мнение, что чем ниже импеданс АС (научное название сопротивления системы, измеряемое в Омах), тем хуже качество звука и наблюдается падение чувствительности… Либо у меня со слухом проблемы, либо это так незначительно, что я, пожалуй, буду этой гипотезой пренебрегать =). Поэтому, если есть возможность «играть» в минимальном импедансе — смело делайте это!

Так же приятной новостью оказалась чувствительность данного динамика, я ожидал за такую цену получить голову примерно с 86 Дб, а тут их целых 92(!). Разница в 6 Дб — это колоссальная разница, если не верите — можете узнать в специализированной литературе.