Сложность измерений электрических и акустических параметров динамиков часто подталкивает на отказ от данной процедуры и в последствии процесс создания АС происходит с ориентиром на простые формулы расчета, учитывающие только электрические параметры динамиков, да и то идеальных. Думаю, нет смысла лишний раз углубляться в рассказы о том, что результат в таком случае даже близко не оправдывает ожидания. Лукавить не буду, процесс измерений сложен, требует некоторого специального оборудования и, что очень важно, навыков работы с программами для проведения измерений. Мало просто измерить, нужно сделать это максимально объективно, и единственным ограничением при измерениях должна оставаться погрешность измерительного оборудования.
Далее я постараюсь подробно рассказать о методике проведения измерений в пакете Arta Software. Эту программу я полюбил за удобство и легкость в работе, возможность всестороннего анализа результатов измерений. Последняя версия программы доступна на сайте разработчиков . На данный момент это версия 1.6.1. Там же можно загрузить оригинальные руководства по работе с компонентами пакета, правда, на английском языке. Эти руководства входят в справочную систему программы. Вызвать ее можно через меню Help – User Manual .
Для проведения измерений понадобится некоторое оборудование. Ниже перечислено то, что используется у меня:
- Ноутбук Dell Inspiron 1720 с операционной системой Windows XP Professional x86 и установленным программным пакетом Arta Software.
- Звуковая карта E-MU 0404 USB.
- Усилитель Denon PMA-500AE. Он подходит, поскольку имеет функцию обхода коррекции тембра, тонкомпенсации и баланса – Source Direct.
- Вольтметр В7-38.
- Магазин сопротивлений Р33.
- Микрофон измерительный Nady CM 100.
- Стойка для микрофона. В ее роли выступает стойка от фотоаппарата, обладающая функциями наклона, поворота и регулировки высоты.
- “Референсный” резистор (Rref), необходимый при измерениях импеданса. Я использую ПЭВ-10 номиналом 10 Ом. Измеренное сопротивление составляет 9.85 Ом.
- Два кабеля с делителями, защищающими вход звуковой карты от опасных для нее величин напряжения. Делители распаяны внутри TRS-джека.
- Микрофонный кабель XLR и несколько кабелей для соединения входов/выходов звуковой карты и ее соединения с усилителем.
Для измерения импеданса требуется подключить оборудование по схеме Figure 12.
Figure 12
Измерение импеданса производится за счет падения напряжения на резисторе Rref. Разработчики Arta Software рекомендуют использовать величину Rref 27 Ом. Я использую меньший номинал – 10 Ом (измеренное сопротивление составляет 9.85 Ом), что позволяет при измерении устанавливать на выходе усилителя меньшую амплитуду напряжения. Реальное сопротивление резистора Rref должно быть измерено с минимальной погрешностью. От этого зависит погрешность измерения импеданса и, как следствие, погрешность расчета параметров Тиля-Смолла.
В Arta Software возможно измерять импеданс как низко- и среднечастотных динамиков, так и высокочастотных. Для последних используется отдельная методика – измерение на шаговом синусоидальном сигнале в заданном диапазоне частот. Измерять на периодическом шуме импеданс высокочастотных динамиков нельзя, возможно их повреждение.
Итак, запускаем Limp. Для этого в Windows меню “Пуск” необходимо выбрать Все программы – Arta Software – Limp . Окно программы показано ниже (Figure 13).
Figure 13
Здесь я также, как и в Arta, изменяю цветовую гамму на более приятную для глаз. Смена цвета рабочей области производится с помощью команды меню Edit – B/W background color , остальные цвета изменяются через меню Edit – Colors and grid style . Дополнительно отключаю выделение линий через меню Edit – Use thick pen .
Настройка программы начинается с меню Setup – Audio devices (Figure 14). Здесь, в полях Wave Input Device и Wave Output Device , необходимо указать используемую звуковую карту.
Figure 14
Следующее меню – Setup – Measurement (Figure 15).
Figure 15
В поле Reference Channel указываем канал, служащий опорным. Если соединение схемы измерений произведено в соответствии с изображением Figure 12, то опорный канал – правый (Right). В поле Reference Resistor указываем измеренное значение резистора Rref. В полях High cut-off и Low cut-off указывается отображаемый на экране частотный диапазон импеданса. Не сам частотный диапазон, отображение которого изменяется через меню Setup – Graph , но именно частотный диапазон кривой импеданса. Сказанное справедливо для измерений на периодическом шуме. Для измерений на шаговом синусоидальном сигнале эти поля отвечают за диапазон измерений. В поле Frequency increment устанавливается шаг для измерений на шаговом синусоидальном сигнале. Рекомендую установить 1/48 октавы, получив тем самым меньший шаг и более точное измерение импеданса. Поля Min. integration time (ms) , Transient time (ms) и Intra burst pause (ms) определяют соответственно время интегрирования, длительность шага синусоидального сигнала и паузу между шагами. Если компьютер, с помощью которого проводятся измерения, не обеспечивает должного быстродействия, увеличьте значения в этих полях вдвое. В поле FFT size устанавливается размер блока FFT. Установка бОльшего значения улучшает разрешение по частоте, но увеличивает время измерений. Остальные поля настраивают усреднение результатов измерений. Эти поля могут быть полезны при измерениях импеданса с добавочной массой, если последняя не может быть закреплена на диффузоре динамика. Небольшие колебания добавочной массы делают отображаемую на экране ИЧХ шероховатой. Усреднение немного помогает от этого избавиться. Работает усреднение только при измерениях на периодическом шуме.
Дальше я описываю методику измерения импеданса, подходящую для низко- и среднечастотных динамиков. Использовать эту методику для измерения высокочастотных динамиков нельзя. Для них методика измерений будет описана чуть ниже.
Теперь необходимо установить амплитуду тока через звуковую катушку измеряемого динамика. Учитывая нелинейность параметров динамиков при различном токе через звуковую катушку, желательно использовать для измерений ток не менее 40-50 mA. Для установки амплитуды тока, к клеммам для измерения подключается резистор номиналом, близким к номинальному сопротивлению динамика. У меня в качестве подопытного выступает широкополосный динамик 4А28. Его номинальное сопротивление – 12 Ом, столько я и выставляю на магазине сопротивлений. Параллельно резистору для теста подключается вольтметр. Ток через резистор рассчитывается по закону Ома.
Подключили, переходим в меню – Setup – Generator (Figure 16).
Figure 16
В поле Type устанавливается тип сигнала для измерений – периодический розовый шум (Pink PN) или синус (Sine). В поле Output level можно изменить уровень тестового сигнала, что удобно, например, при оценке линейности динамиков. В поле Sine freq. (Hz) устанавливается частота генерируемого синусоидального сигнала. В поле Pink cut-off (Hz) – частота среза розового шума. Не рекомендую использовать слишком малое значение (например, 20 Hz), поскольку при измерениях с добавочной массой, из-за роста амплитуды на низких частотах, грузики на диффузоре могут вызывать искажения ИЧХ.
Сначала выбираем в поле Type значение Sine. В поле Sine freq. (Hz) устанавливаем частоту 315 Hz. Если в наличии нет вольтметра, работающего в широком диапазоне частот, используйте меньшее значение, например, 100 или 50 Hz. В поле Output level устанавливаем значение 0 dB. Нажимаем кнопку Test . Устанавливаем через резистор требуемый ток. Я установил на выходе усилителя напряжение 0.6063 v, что соответствует току около 50 mA через нагрузку сопротивлением 12 Ом. Останавливаем генерацию повторным нажатием кнопки Test . Отключаем резистор от клемм для теста и вновь нажимаем кнопку Test . В окне Generator Setup отображаются уровни входных сигналов левого и правого каналов. С помощью регулировки чувствительности устанавливаем уровень в диапазоне -20…-10 dB. Следует установить его идентичным для обоих каналов. После установки останавливаем генерацию нажатием кнопки Test. В поле Type выбираем Pink PN, тем самым установив для теста периодический розовый шум. Нажимаем ОК .
В меню Setup – Graph (Figure 17) можно изменить отображаемый на экране частотный диапазон и диапазон значений сопротивления. Галочка View Phase отвечает за отображение фазы импеданса. Это меню также можно вызвать нажатием правой кнопки мыши на графике.
Figure 17
Переходим в меню Record – Calibrate (Figure 18).
Figure 18
Здесь проводится процедура калибровки. Нажимаем кнопку Generate . На индикаторе отобразится уровень входных сигналов. Уровень должен быть таким, каким его устанавливали в меню Setup – Generator (Figure 16). Останавливаем генерацию повторным нажатием кнопки Generate . В поле Number of averages (усреднение) устанавливаем значение 3…5. Нажимаем кнопку Calibrate . По завершении калибровки, справа, в окне Status , отобразится информация о количестве сэмплов тестового сигнала, частоте дискретизации и разнице амплитуды напряжений между каналами (Figure 19). Если эта разница превысит значение 2 dB, программа выдаст предупреждение. Хорошим результатом следует признать значение разницы менее 0.2 dB. Нажимаем ОК .
Figure 19
Все готово для проведения измерений. Я сделаю небольшое отступление и приведу таблицу со значениями относительной погрешности при измерении сопротивления (Figure 20). Относительная погрешность вычислена по формуле ((Rm-Rs)/Rs)*100, где Rs – значение сопротивления, установленного на магазине сопротивлений, Rm – значение сопротивления, измеренное Limp.
Figure 20
Измеряем сопротивление постоянному току (Re) звуковой катушки динамика с помощью омметра и подключаем динамик к клеммам для теста. Располагать динамик на полу нежелательно. Лучше всего подходит небольшая стойка с площадкой меньше диаметра магнита динамика. Если есть возможность закрепить динамик на весу, это будет очень хорошим решением. Внимательно отнеситесь к динамикам, имеющим отверстие в керне. Такие динамики можно измерять только на весу.
В Limp запуск и остановка процесса измерений производится либо через меню Record – Start и Record – Stop , либо с помощью кнопок на панели задач. Кнопка Start обозначена красным треугольником, кнопка Stop – красным кружком. Запускаем процесс измерений. После отображения на экране импеданса и фазы (Figure 21), останавливаем измерения.
Figure 21
Результат измерений можно сохранить с расширением *.lim (File – Save As… ), либо экспортировать в формат *.txt, *.zma, *.csv (File – Export as … ). Если производится экспорт в *.csv, разделитель дробной части (точка, либо запятая) может быть выбран через меню Setup – CSV format .
После измерения импеданса можно рассчитать неполный перечень параметров Тиля-Смолла. Для этого в меню Analyze необходимо выбрать либо Loudspeaker parameters – Added mass method , либо Loudspeaker parameters – Closed box method . Первый пункт меню предназначен для расчета параметров Тиля-Смолла методом добавочной массы, второй – с использованием измерительного ящика. В данном случае разницы нет, но я по привычке использую меню добавочной массы (Figure 22).
Figure 22
В открывшемся окне в поле Voice coil Resistance (ohms) указываем сопротивление звуковой катушки динамика постоянному току и нажимаем кнопку Calculate TSP . Для расчета всех параметров Тиля-Смолла необходимо провести еще одно измерение импеданса – с добавочной массой. Закрываем текущее окно. В меню Overlay выбираем Set as overlay . Кривая импеданса будет зафиксирована программой и на графике изменит свой цвет.
В качестве добавочной массы я использую монеты времен СССР. Их номинал (1, 2, 3 и 5 копеек) соответствует весу в граммах. Оптимальное количество добавочной массы такое, при котором частота основного резонанса подвижной системы уменьшается на 20-50%. Назвать точное количество этой массы невозможно, поэтому для начала следует выбрать небольшую величину – 10-15 грамм. В дальнейшем можно будет добавить (или убавить) и провести измерение повторно.
Располагаем массу на диффузоре динамика, проводим измерение (Figure 23).
Figure 2 3
Переходим в меню . В поле Voice coil Resistance (ohms) указываем сопротивление по постоянному току , в поле Membrane diameter (cm) – диаметр излучающей поверхности в сантиметрах (измеряется между центрами подвеса ), в поле Added mass (g) – добавочную массу в граммах , после чего нажимаем кнопку Calculate TSP (Figure 24).
Figure 24
Данные можно скопировать в буфер обмена (Copy to Clipboard ), либо экспортировать в файл *.csv (Export in .CSV file ).
Для измерения импеданса высокочастотных динамиков необходимо внести некоторые изменения в настройки программы. Также, как и перед началом измерений низко- и среднечастотных динамиков, к клеммам для теста подключается резистор номинальным сопротивлением, равным номинальному сопротивлению динамика. Параллельно резистору подключается вольтметр. С помощью меню – Setup – Generator (Figure 16) производим установку тока через резистор, аналогично описанной выше методики с единственным отличием – ток через резистор необходимо установить в пределах 10 mA . Это безопасное значение тока для нежных твитеров. По завершении установки тока производим настройку чувствительности так, как это было описано ранее. По окончании процедуры настройки устанавливаем в меню Generator Setup в поле Type значение Sine и нажимаем ОК .
Переходим в меню – Setup – Measurement (Figure 15). В поле Low cut-off устанавливаем нижнюю границу частотного диапазона измерений. Для купольных твитеров с низкой (600-700 Hz) частотой резонанса можно использовать значение 200 Hz. Устанавливаем и нажимаем ОК .
В меню Record – Calibrate (Figure 18) проводим процедуру калибровки, описанную выше.
Осторожность не помешает, поэтому сначала вместо динамика подключаем к клеммам для измерения резистор и запускаем процесс измерений. Убедившись, что процесс начинает протекать в соответствии с заданными установками, останавливаем измерение. Теперь подключаем к клеммам для теста измеряемый динамик и вновь запускаем процесс измерений. По окончании измерений остановка генератора произойдет автоматически. Сам процесс измерений на шаговом синусоидальном сигнале – достаточно длительная процедура, наберитесь терпения.
Figure 25
Если интересуют параметры Тиля-Смолла, рассчитать их можно через меню Analyze – Loudspeaker parameters – Added mass method . Достаточно указать сопротивление звуковой катушки постоянному току и нажать кнопку Calculate TSP (Figure 26).
Figure 26
Отдельное спасибо Сирвутису Алексею ( Lexus ) за предоставленную информацию.
Взято с сайта журнала "Автозвук"Контекст
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.
Цифирь
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
Fs 26 Гц 40 Гц
Vas 83 л 50 л
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.
Итак, договорились:
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
1,4 раза 1
1,7 раза 1/2
2 раза 1/3
3 раза 1/8
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.
Полезные темы:
19.01.2006 15:47 # 0+
Если Вы впервые на нашем Форуме:
- Обратите внимание на список полезных тем в первом сообщении.
- Термины и наиболее популярные модели в сообщениях подсвечиваются быстрыми подсказками и ссылками на соответствующие статьи в МагВикипедии и Каталоге.
- Для изучения Форума не обязательно регистрироваться - практически весь профильный контент, включая файлы, картинки и видео, открыты для гостей.
С наилучшими пожеланиями,
Администрация Форума автозвука МагнитолаЭто группа параметров, введенных A.N. Thiele и позднее R.H. Small, при помощи которых можно полностью описать электрические и механические характеристики средне - и низкочастотных головок громкоговорителей, работающих вкомпрессионной области, т.е. тогда, когда в диффузоре не возникают продольные колебания и его можно уподобить поршню.
Fs (Гц) - частота собственного резонанса головки громкоговорителя в открытом пространстве. В этой точке ее импеданс максимален.
Fc (Гц) - частота резонанса акустической системы для закрытого корпуса.
Fb (Гц) - частота резонанса фазоинвертора.
F3 (Гц) - частота среза, на которой отдача головки снижается на 3 dB.
Vas (куб.м) - эквивалентный объем. Это возбуждаемый головкой закрытый объем воздуха, имеющий гибкость, равную гибкости Cms подвижной системы головки.
D (м) - эффективный диаметр диффузора.
Sd (кв.м) - эффективная площадь диффузора (примерно 50-60% конструктивной площади).
Xmax (м) - максимальное смещение диффузора.
Vd (куб.м) - возбуждаемый объем (произведение Sd на Xmax).
Re (Ом) - сопротивление обмотки головки постоянному току.
Rg (Ом) - выходное сопротивление усилителя с учетом влияния соединительных проводов и фильтров.
Qms (безразмерная величина) - механическая добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qes (безразмерная величина) - электрическая добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические потери.
Qts (безразмерная величина) - полная добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Qmc (безразмерная величина) - механическая добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qec (безразмерная величина) - электрическая добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические потери.
Qtc (безразмерная величина) - полная добротность акустической системы на резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Ql (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая потери перетекания.
Qa (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая потери поглощения.
Qp (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb), учитывающая прочие потери.
N0 (безразмерная величина, иногда %) - относительная эффективность (К.П.Д.) системы.
Cms (м/Н) - гибкость подвижной системы головки громкоговорителя(смещение под воздействием механической нагрузки).
Mms (кГ) - эффективная масса подвижной системы (включает массу диффузора и колеблющегося вместе с ним воздуха).
Rms (кГ/с) - активное механическое сопротивление головки.
B (Тл) - индукция в зазоре.
L (м) - длина проводника звуковой катушки.
Bl (м/Н) - коэффициент магнитной индукции.
Pa - акустическая мощность.
Pe - электрическая мощность.
C=342 м/с - скорость звука в воздухе в нормальных условиях.
P=1.18 кГ/м^3 - плотность воздуха в нормальных условиях.
Le - индуктивность катушки.
BL – значение плотности магнитного потока, умноженный на длину катушке.
Spl – уровень звукового давления в дБ.
Re: Параметры Тиля-Смолла и акустическое оформление динамика.
Классная программа BassBox 6.0 PRO для расчёта акустического оформления динамика 12мб, серийник внутри в файле *.txt:Программа имеет огромную базу данных по параметрам динов большого количества производителей, умеет считать объём с учётом толщины стенок. Вообщем очень удобная.
Параметры Смолла-Тиле
Параметры Смолла-ТилеВплоть до 1970 года не существовало удобных и доступных, принятых в качестве стандартных для всей индустрии методов получения сравнительных данных о работе громкоговорителей. Отдельные тесты, проводимые лабораториями, были слишком дороги и трудоемки. При этом методы получения сравнительных данных о громкоговорителях были нужны как покупателям для выбора нужной модели, так и производителям аппаратуры для более точного описания своей продукции и аргументированного сравнения различных устройств.
Конструкция громкоговорителяВ начале семидесятых на конференции AES был представлен доклад, авторами которого были Невилл Тиле (Neville Thiele) и Ричард Смолл (Richard Small). Тиле был главным инженером по разработкам и развитию в Австралийской вещательной комиссии (Australian Broadcasting Commission). В то время он заведовал Федеральной инженерной лабораторией (Federal Engineering Laboratory) и занимался анализом работы аппаратуры и систем для передачи аудио- и видеосигналов. Смолл учился в аспирантуре Школы инженеров университета Сиднея.
Целью Тиле и Смолла было показать, как выведенные ими параметры помогают подобрать кабинет к конкретному громкоговорителю. Однако в результате получилось, что эти измерения дают значительно больше информации: по ним можно сделать гораздо более глубокие выводы о том, как работает громкоговоритель, чем на основе привычных данных о размере, максимальной выходной мощности или чувствительности.
Перечень параметров, получивших название «Параметры Смолла-Тиле»: Fs, Re, Le, Qms, Qes, Qts, Vas, Cms, Vd, BL, Mms, Rms, EBP, Xmax/Xmech, Sd, Zmax, рабочий диапазон воспроизводимых частот (Usable Freq. Range), номинальная мощность (Power Handling), чувствительность (Sensitivity).Fs
Re
Этот параметр описывает сопротивление громкоговорителя по постоянному току, измеренное с помощью омметра. Его часто называют DCR. Значение этого сопротивления почти всегда меньше номинального сопротивления громкоговорителя, что беспокоит многих покупателей, так как они боятся, что усилитель будет перегружен. Однако, благодаря тому что индуктивность громкоговорителя растет с увеличением частоты, маловероятно, что постоянное сопротивление будет влиять на нагрузку.
Le
Этот параметр соответствует индуктивности звуковой катушки, измеренной в мГн (миллигенри). По установленному стандарту измерение индуктивности производится на частоте 1 кГц. При повышении частоты будет происходить рост полного сопротивления выше значения Re, так как звуковая катушка работает как индуктор. В результате этого полное сопротивление (Impedance) громкоговорителя не является постоянной величиной. Оно может быть представлено в виде кривой, которая меняется с изменением частоты входного сигнала. Максимальное значение полного сопротивления (Zmax) имеет место на резонансной частоте (Fs).
Q-параметры
Vas/Cms
Параметр Vas говорит о том, каким должен быть объем воздуха, который при сжатии до объема в один кубический метр оказывает такое же сопротивление, что и система подвеса (эквивалентный объем). Коэффициент гибкости системы подвеса для данного громкоговорителя обозначается как Cms. Vas является одним из наиболее сложных для измерения параметров, так как давление воздуха изменяется в соответствии с влажностью и температурой и, таким образом, требует для измерения очень высокотехнологичную лабораторию. Cms измеряется в метрах на ньютон (м/Н) и представляет собой силу, с которой механическая система подвеса сопротивляется движению диффузора. Другими словами, Cms соответствует измерению жесткости механического подвеса громкоговорителя. Соотношение Cms и Q-параметров можно сравнить с выбором между повышенным комфортом и улучшенными ходовыми качествами, который делают производители автомобилей. Если рассматривать пики и минимумы аудиосигнала как неровности автомобильной дороги, то система подвеса громкоговорителя аналогична рессорам автомобиля - в идеале она должна выдерживать очень быструю езду по дороге, заваленной крупными валунами.
Vd
Этот параметр обозначает максимальный объем воздуха, который может быть вытолкнут диффузором (Peak Diaphragm Displacement Volume). Он вычисляется путем умножения Xmax (максимальной длины той части звуковой катушки, которая выходит за пределы магнитного зазора) на Sd (площадь рабочей поверхности диффузора). Vd измеряется в кубических сантиметрах. Субвуферы обычно характеризуются самыми высокими значениями Vd.
BL
Выражаемый в тесла на метр, этот параметр характеризует движущую силу громкоговорителя. Другими словами, BL дает понять, насколько большую массу может «поднять» громкоговоритель. Измеряется этот параметр следующим образом: на диффузор воздействует определенная сила, направленная внутрь громкоговорителя, и при этом измеряется сила тока, нужная для того, чтобы противодействовать приложенной силе - масса в граммах делится на силу тока в амперах. Высокое значение параметра BL говорит об очень большой силе громкоговорителя.
Mms
Этот параметр является объединением веса диффузора в сборе и массы воздушного потока, сдвигаемого диффузором громкоговорителя во время работы. Вес диффузора в сборе равен сумме веса самого диффузора, центрирующей шайбы и звуковой катушки. При вычислении массы воздушного потока, смещаемого диффузором, используется объем воздуха, соответствующий параметру Vd.
Rms
Этот параметр описывает потери на механическое сопротивление системы подвеса громкоговорителя. Он представляет собой измерение абсорбирующих качеств подвеса громкоговорителя и измеряется в Н і с/м.
EBP
Этот параметр равен Fs, деленному на Qes. Он используется во многих формулах, связанных с конструированием кабинетов для акустических систем, и в частности, чтобы определить, какой кабинет лучше выбрать для данного громкоговорителя - закрытый или фазионверторной конструкции. Когда значение EBP приближается к 100, это означает, что такой громкоговоритель лучше всего подойдет для работы в фазоинверторном корпусе. В случае, если EBP близок к 50, данный громкоговоритель лучше установить в закрытый корпус. Однако это правило является лишь отправной точкой при создании акустической системы и допускает исключения.
Xmax/Xmech
Параметр определяет максимальное линейное отклонение. Выходной сигнал громкоговорителя становится нелинейным, когда звуковая катушка начинает выходить из магнитного зазора. Хотя и система подвеса может создавать нелинейность в выходном сигнале, искажения начинают значительно увеличиваться в тот момент, когда число витков звуковой катушки в магнитном зазоре начинает уменьшаться. Для определения Xmax нужно вычислить длину части звуковой катушки, вышедшей за пределы верхнего среза магнита, и разделить ее пополам. Этот параметр используется для определения максимального звукового давления (SPL), которое может обеспечить громкоговоритель, сохраняя при этом линейность сигнала, то есть нормированное значение КНИ.
При определении Xmech проводятся измерения длины хода звуковой катушки до возникновения одной из следующих ситуаций: либо разрушается центрирующая шайба, либо звуковая катушка упирается в предохраняющую заднюю крышку, либо звуковая катушка выходит из магнитного зазора, либо начинают играть роль другие физические ограничения диффузора. Наименьшая из полученных длин хода катушки делится пополам и полученное значение принимается за максимальное механическое смещение диффузора.Sd
Этот параметр соответствует площади рабочей поверхности диффузора. Измеряется в см2.
Zmax
Этот параметр соответствует полному сопротивлению громкоговорителя на резонансной частоте.
Рабочий диапазон воспроизводимых частот (Usable frequency range)
Производители используют разные способы для измерения рабочего диапазона частот. Многие методы считаются приемлемыми, однако они приводят к разным результатам. По мере повышения частоты внеосевое излучение громкоговорителя уменьшается пропорционально диаметру. В определенной точке оно становится остронаправленным. В таблице показана зависимость частоты, на которой имеет место этот эффект, от размера громкоговорителя.
File:///C:/Documents%20and%20Settings/artemk01klg/Desktop/1.jpg
Номинальная мощность (Power handling)
Это очень важный параметр при выборе громкоговорителя. Необходимо точно знать, что излучатель выдержит мощность подводимого к нему сигнала. Поэтому нужно подобрать такой громкоговоритель, который сможет с запасом выдержать подводимую к нему мощность. Определяющим критерием того, какую мощность будет иметь громкоговоритель, является его способность отводить тепло. Основными конструктивными особенностями, влияющими на эффективный отвод тепла, являются размер звуковой катушки, размер магнита, вентиляция конструкции, а также высокотехнологичные современные материалы, использованные в конструкции звуковой катушки. Большие размеры звуковой катушки и магнита обеспечивают более эффективное рассеивание тепла, а вентиляция обеспечивает охлаждение конструкции.
При вычислении мощности громкоговорителя помимо способности выдерживать нагрев важны также механические свойства громкоговорителя. Ведь устройство может выдерживать нагрев, возникающий при подведении мощности в 1 кВт, но еще до достижения этого значения оно выйдет из строя из-за конструктивных повреждений: звуковая катушка будет упираться в заднюю стенку или звуковая катушка выйдет из магнитного зазора, диффузор деформируется и т. д. Наиболее часто подобные поломки случаются при воспроизведении слишком мощного НЧ-сигнала на большой громкости. Чтобы избежать поломок, необходимо знать реальный диапазон воспроизводимых частот, параметр Xmech, а также номинальную мощность.Чувствительность (Sensitivity)
Этот параметр является одним из важнейших во всей спецификации громкоговорителя. Он позволяет понять, насколько эффективно и с какой громкостью аппарат будет воспроизводить звук при подведении сигнала той или иной мощности. К сожалению, производители громкоговорителей используют разные методы для вычисления этого параметра - единого установленного не существует. При определении чувствительности измеряют уровень звукового давления на расстоянии одного метра при подведении к громкоговорителю мощности 1 Вт. Проблема состоит в том, что иногда расстояние в 1 м рассчитывается от пылезащитного колпачка, а иногда от подвеса громкоговорителя. Из-за этого определить чувствительность громкоговорителей бывает довольно сложно.
Взято с
Внимание! Приведенная ниже методики действенна только для измерения параметров динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц, на более высоких частотах погрешность возрастает.
Для получения максимально достоверных результатов все измерения рекомендуется производить несколько раз (3-5раз), затем за результат принимается средне-арифметическое значение.
Перед измерением параметров динамик необходимо «размять». Дело в том, что у неработающего определенное время динамика или у нового динамика параметры будут отличаться, от тех которые мы измерим после того как динамик отыграет определенное время и будет регулярно работать. Поэтому смысл размятия динамика и заключается в получении достоверных параметров измерений. Бытует множество мнений как и сколько надо разминать: просто музыкой, синусоидальным сигналом (синусом) на частоте резонанса динамика Fs, синусом на 1000Гц, гонять синусом на разных частотах, белым и розовым шумом, использовать тестовые диски.
Как разминать решать Вам, - это дело Ваших возможностей и времени, но разминать обязательно нужно.
От себя посоветую разминать в течении суток в различных комбинациях выше пречисленных способов, начать стоит с синуса частоты собственного резонанса Fs (взятую из паспорта динамика) на максимальное количество времени, потом уже использовать остальные способы. Можно использовать тестовые диски, лучше те которые содержат как музыкальные так и технические треки, т.е. сгенерированные сигналы различной формы, частоты и мощности, причем начать лучше с технических треков. Желательно разминать динамик на 50-100% от номинальной мощности, всё зависит от ваших условий, ушей и нервов.
Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (корпус, ящик) являются параметры Тиля-Смолла.
Измерение резонансной частоты Fs, добротности динамика Qts и ее составляющих электрической и механической добротности Qes, Qms.
Метод 1
Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:
* Вольтметр
*Генератор сигналов звуковой частоты
*Частотомер
* Мощный (не менее 2 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
*Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
* Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.
Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение (например, это), способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности. Либо мне еще приходилось делать так, когда не было рядом компьютера: я нарезал на диск треки с частотами от 20-120Гц, потом крутил его на DVD подключенный усилителю и затем уже подключал подвешенный динамик через сопротивление.
Калибровка.
Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0,01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0,004 вольта.
Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора (усилителя) НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.
Определение Fs и Rmax
.
Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве, обычно его подвешивают (обычно на люстре) подальше от стен и различныз предметов. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно увеличивайте частоту генератора, начиная примерно с 20Гц, и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.
Определение Qms, Qes и Qts.
Эти параметры определяются по следующим формулам.
Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2 . Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx . Поскольку Rx всегда меньше Rmax , то и частот будет две - одна несколько меньше Fs , а другая несколько больше.
Определение сопротивление обмотки головки постоянному току Re.
Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re
. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re
можно замерить и непосредственно омметром.
Метод 2
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: резистор на 1кОм и - генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию. Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать). Подключаем вольтметр к точкам А и С (т.е. к выходу усилителя) , и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.
Подключаем вольтметр к точкам В и С (т.е. непосредственно к контактам динамика) и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, (как показано на рисунке ниже). Это и есть частота собственного резонанса динамика Fs
. Записываем Fs
и Us
-показания вольтметра.
Изменяя частоту вверх относительно Fs , находим частоты, на которых показания вольтметра постоянны и значительно меньше Us (при дальнейшем повышении частоты напряжение опять начнет увеличиваться, пропорционально увеличению импеданса динамика). Запишем это значение, Um .
График импеданса динамика в свободном пространстве и в закрытом ящике выглядит приблизительно так.
Вычисляем напряжение U12
по формуле: 
Изменяя частоту, добиваемся показаний на вольтметре соответствующие напряжению U12 , находим частоты F1 и F2.
Вычисляем акустическую или механическую добротность по формуле: 
Электрическую добротность: 
И, на конец, полную добротность: 
Метод 3 - Измерения параметров тиля-смолла при помощи фазоинвертора
Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: калибровочного резистора Rk номиналом 10 Ом и активное сопротивление R, задающее ток в цепи, номиналом 1кОм. Можно взять сопротивления Rk и R других номиналов, выполняя условия:
Rk - может быть любым, но близким к Re
R/Re > 200
Где Re - сопротивления постоянному току звуковой катушки.
Измерения начинаются с наиболее точного определения сопротивления постоянному току звуковой катушки Re и калибровочного резистора Rk при помощи цифрового вольтметра или мультиметра.
Затем вместо динамика включаем калибровочный резистор Rk и измеряем напряжение Uk на нем. Напряжение, соответствующее сопротивлению звуковой катушки постоянному току, находим по формуле:
Где: Sd - эффективная излучающая поверхность диффузора, м2; Cms - относительная жесткость.
Излучающая поверхность диффузора для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна: Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.
Рассчитываем относительную жесткость Cms на основе полученных результатов по формуле:
М/Н (метров/Ньютон), где М - масса добавленных грузиков в килограммах.
Определение эквивалентного объема методом добавочного объема
Для определения эквивалентного объема динамика методом добавочного объема герметичный измерительный ящик с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать. Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. герметизируем все щели.
Затем нужно произвести измерения Fс
(резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить механическую и электрическую добротность Qmc
и Qec
и добротность динамика в измерительном ящике Qts"
(Qtс)
. После чего уже вычисляем эквивалентный объем по формуле: 
Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу: 
Где: Vb - объем измерительного ящика, м3.
Выполняем проверку: вычисляем 
и если измеренная в ящике Qts’=Qtc
, ну или почти равна, значит - все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.
Выводы
Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:
*1. Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
*2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
*3. Если соотношение Fs/Qts
у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет.
Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - Sd, Cms
и Lе
.
Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса.
Хочется собрать сабвуфер
, да не простой, а грамотно рассчитанный. В этих расчетах уже все поднаторели: и установщики, и любители, и программ тоже вроде хватает, например JBL SpeakerShop
. Одно только «но» - без параметров Тиля-Смолла
далеко не уедешь.
К сожалению, недорогие и тем особенно интересные динамики часто попадают в руки вообще без каких-либо цифр. Бывает и так, что характеристики вроде есть, но разные, в зависимости от года выпуска. Это встречается даже у известных производителей.
В общем, умение измерять эти величины лишним не будет.
Традиционные методы измерения описаны во многих источниках и секрета не представляют. Более того, в упомянутой выше программе JBL SpeakerShop
есть удобный «мастер», который избавляет от необходимости вручную рассчитывать промежуточные и окончательные значения напряжений, частот и добротностей: нужно собрать приведенную там схему и действовать в соответствии с указаниями программы.
Я сам неоднократно пользовался этой методикой, все здорово, только для измерений требуются:
а) генератор,
б) частотомер,
в) вольтметр переменного тока,
г) усилитель низкой частоты.
Думаю, что где-нибудь к пункту в) из этого списка исследовательский пыл у многих уже малость поугас. Но это еще не все. Сам процесс измерений, постоянная «ловля» требуемых значений частот и напряжений способны утомить даже флегматика: на один динамик уходит в лучшем случае полчаса. Обидно тратить время на такую рутину, поэтому, когда я наткнулся на программу SpeakerWorkShop , радости не было предела.
Замечательно, нужны только компьютер со звуковой платой и элементарные кабели. Первые несколько дней я честно пытался делать все так, как велит инструкция. Тут меня ждало разочарование. То есть сама по себе программа хорошая, но вот ее help - это что-то. Прочитал его, наверное, раз двадцать, пробовал и так, и этак, но так ничего и не получилось. Что поделать - бесплатный софт сродни сыру той же цены.
Несколько месяцев я продолжал измерять «три цифры» обычными способами, пока на сайте, на котором находится сама программа, не появилась новая ссылка. Спасибо чемпиону РАСКА среди любителей Косте Никифорову за то, что сказал о ней. Предлагаемое ниже описание - мой собственный, упрощенный вариант приставки и краткая инструкция по работе с программой.
Бывает в жизни - как приклеится к человеку прозвище, так и преследует до конца дней его. Вот и с прибором, который буду ниже описывать, тоже такое случилось - «коробочка », да и все тут. Как я ни пытался выдумать более наукообразное название, ничего не вышло. Схема приведена на рис. 1
Некоторые комментарии по поводу применяемых элементов.
X1 - разъем, подключаемый к выходу усилителя мощности (Spkr Out) звуковой карты, обычно «мини-джек». Сигнал правого и левого канала с усилителя одинаков, поэтому можно использовать любой контакт разъема. При использовании внешнего усилителя подключать одновременно этот разъем к выходу звуковой платы НЕЛЬЗЯ!
X2, X3 понадобятся, если вы будете использовать внешний усилитель мощности. Это более предпочтительный вариант, правда, чуть более громоздкий. Подойдут «колоночные» клеммы, желательно винтовые. Кроме того, в случае использования внешнего усилителя потребуется дополнительный кабель «мини-джек - два тюльпана».
X4, X5 - клеммы, аналогичные X2, X3. К ним будет присоединяться объект исследования. Очень полезно продублировать эти клеммы парой «крокодилов».
X6 - «мини-джек», который будет подключен ко входу Line-In звуковой платы. Распайку правого и левого канала я не привожу - пока соедините как получится, уточним позднее. Провод к разъему нужно брать экранированный.
R1, R2 - резисторы, используемые в качестве эталонных при калибровке программы. Номиналы особой роли не играют и могут быть от 7,5 до 12 Ом, например типа МЛТ-2.
R3 - это резистор, с величиной которого программа «сравнивает» неизвестный импеданс. Поэтому номинал этого резистора должен быть соизмерим с исследуемым. Если в основном предполагается измерять автомобильные динамики, величину R3 можно взять около 4 Ом. Мощность можно выбрать такую же, как для R1.
R4, R5, R6, R7 - любой мощности. Сопротивления могут несколько отличаться от указанных, важно лишь, чтобы R4/R6 = R5/R7 = 10...15. Это делитель, который ослабляет сигнал на входе звуковой карты.
SA1 служит для выбора между двумя эталонными сопротивлениями. Он используется только при калибровке. Можно использовать тумблер, я поставил П2К, соединив параллельно несколько секций.
SA2, пожалуй, самый ответственный. Важно, чтобы он обеспечивал надежный и стабильный контакт, от этого во многом зависит точность результатов.
Итак, «коробочка
» собрана. Теперь потребуется омметр, причем максимально возможной точности, желательно измерительный мост. Необходимо установить переключатели во все положения согласно таблице и измерить указанные сопротивления.
| положение переключателя | положение переключателя | сопротивление | сопротивление | |
| SA1 | SA2 | X4-X5 | X2-X4 | |
| CAL1 | Верхнее | Нижнее | 10 | 4 |
| CAL2 | Нижнее | Нижнее | 5 | 4 |
| LOOP | Любое | Верхнее | Бесконечность | 0 |
| IMP | Любое | Среднее | Бесконечность | 4 |
Обращаю внимание на то, что при работе потребуются именно реально измеренные значения сопротивлений. Их, а также назначение всех переключателей и входов-выходов лучше всего написать прямо на корпусе - на память надеяться не советую.
Принцип работы системы очень прост. Шумовой сигнал, формируемый программой, подается через усилитель на исследуемый объект через резистор R3 известного сопротивления. Программа сравнивает напряжение на одном канале (верхний вывод R3) с напряжением на другом (нижний вывод R3 и верхний - измеряемого объекта). Гениальная простота идеи состоит в том, что для расчета неизвестного импеданса используются не абсолютные величины напряжений, а их отношение. Благодаря предварительной калибровке по заведомо известным сопротивлениям (R2 и R2-R1) достигается вполне приемлемая точность измерений.
Теперь можно присоединить «коробочку» к звуковой плате. Для первого раза не стоит использовать внешний усилитель: чтобы понять принцип работы, он особо не нужен. А когда принцип станет ясен, его подключение вопросов уже не вызовет.
Настройка программы
Возможно, кому-то описание настройки покажется излишне подробным, но, как показывает практика, удобно, когда весь процесс описан по порядку, а не по принципу «это вы и так знаете, здесь все очевидно, в общем, умные - сами разберетесь».
После первого запуска программы нужно проверить, поддерживает ли ваша звуковая плата «полностью дуплексный режим», т. е. позволяет ли одновременно воспроизводить и записывать звук. Для проверки нужно выбрать пункт меню Options-Wizard-Check sound card. Дальнейшие действия программа проделает самостоятельно. Если результат отрицательный, придется искать другую плату или обновлять драйвер.
Если все в порядке, откройте Volume Control (Регулятор уровня). Выбрав Options-Properties, установите Mute на все регуляторы, кроме Volume Control и Wave. Необходимо отключить все «лишние» опции, вроде Enhanced Stereo и темброблока. Регулятор громкости установите в среднее положение. В завершение переместите окно Volume Control, как показано на рисунке 2.
рис. 2
рис. 3
Теперь откройте еще одну копию Volume Control. Выберите Options-Properties, установите режим записи (Recording). Имя окна изменится на Recording Control (Уровень). Аналогично вышеописанному поставьте Mute на все регуляторы, кроме Recording и Line-In. Регулятор уровня поставьте в положение максимума. Потом, возможно, уровень потребуется изменить, но об этом позже. Переместите окно Recording согласно рисунку.
Один из самых ответственных этапов настройки - правильно выбрать входные и выходные уровни сигналов. Для этого создайте новый сигнал, выбрав пункт Resource-New-Signal. Дайте ему какое-нибудь имя, например sign1. По умолчанию будет выбран синусоидальный тип сигнала (Sine), что нас вполне устраивает. Имя нового сигнала должно появиться в окне проекта (то, что слева).
Для того чтобы что-то сделать с сигналом или динамиком, его нужно обязательно открыть. Думаете, для этого достаточно двойного щелчка? Вот тут таится одна из особенностей интерфейса программы: для открытия ресурса требуется сначала щелкнуть на имени ресурса левой кнопкой мыши, затем либо выбрать пункт Open из меню, появляющегося при нажатии правой кнопки, либо нажать F2 на клавиатуре. Вновь нажмите правую кнопку и войдите в Properties. Там нужно выбрать закладку Sine и ввести значение частоты 500 Гц. Фаза сигнала - 0. OK.
Установите переключатели «коробочки» в положение LOOP (согласно таблице). Убедившись в том, что сигнал открыт, войдите в меню Sound-Record - появится диалог Record Data. Введите туда те значения, которые приведены на рис. 3. Нажмите OK; если к клеммам Test подключен динамик, раздастся кратковременный «шип».
Посмотрим на дерево проекта. Там появится несколько новых объектов с именами, начинающимися с sign1. Откройте ресурс с именем sing1.in.l. На появившемся справа графике нажмите правую кнопку мыши и выберите Chart properties. Выберите закладку X Axis и установите в разделе Scale максимальное значение, равное 10. Затем выберите Y Axis и установите диапазон значения Minimum и Maximum - 32 K и 32 K соответственно. Нажмите OK. График должен выглядеть как 4,5 периода синусоидальных колебаний. Проделайте все то же самое с ресурсом sing1.in.r.
Теперь нужно выяснить уровень выходного сигнала, при котором наступает ограничение. Для этого понемногу увеличивайте уровень регулятором громкости, повторяя каждый раз процедуру записи (пункт меню Sound-Record Again) и анализируя графики sign1.in.r и sign1.in.l. Как только появится видимое ограничение амплитуды (обычно при уровнях ~20 K), нужно немного уменьшить уровень сигнала. На этом процесс установки уровня можно считать законченным.
В оригинальной методике автор предлагает проверить теперь соответствие левого и правого каналов. Я это делал, но впоследствии оказалось, что их пришлось поменять местами. Так что лучше перейти сразу к калибровке программы по известным сопротивлениям - там «правый-левый» заодно и проверим.
Для начала убедитесь в том, что к тестовым клеммам (X4, X5) ничего не подключено. Затем откройте меню Option-Preferences и выберите там закладку Measurements. Установите Sample Rate в крайнее правое положение, а Sample Size - равным 8192. Громкость надо сделать равной 100. В дальнейшем при реальных измерениях для большей точности нужно устанавливать больший Sample Size. Правда, при этом возрастает размер файла. Точность можно повысить, уменьшив Sample Rate, - при этом снизится верхняя граничная частота измерений, но для сабвуферов это совершенно неважно.
Теперь надо проверить разбаланс каналов. Для этого выберите пункт Option - Calibrate-Channel Difference и нажмите кнопку Test. Дальнейшие действия подскажет программа. Результаты проверки будут находиться в разделе Measurement.Calib папки System (в окне проекта). Какие точно значения должны получаться, я не знаю, на практике разбаланс выходит порядка десятых долей (в безразмерных единицах), а уровень сигнала на выходе каждого из каналов при этом - в районе 20000 этих же единиц. Думаю, такое соотношение можно считать приемлемым.
Дальше - самое интересное. Мы будем измерять заведомо известные сопротивления. Войдите в пункт Options-Preferences и выберите закладку Impedance. В поле Reference resistor введите измеренную величину сопротивления между клеммами X2 и X4. В соседнее поле (Series resistor) можно ввести значение, например 0,2, программа потом сама подставит туда то, что сочтет нужным. Теперь нажмите кнопку Test. Установите переключатели «коробочки» в режим CAL1 и введите измеренное на клеммах значение эталонного сопротивления R2. (Вы его уже забыли? А я ведь советовал записать.) Нажимаем кнопку Next и повторяем то же самое, но в режиме CAL2. Кстати, советую при калибровке и измерениях постоянно следить за индикатором, который находится возле регулятора уровня. При появлении там «красных делений» я слегка уменьшаю уровень громкости. После этого нужно повторить калибровку. Поначалу процесс освоения длится долго, но через пару сеансов работы с программой все настройки нужно будет в основном контролировать. Это занимает всего несколько минут.
Итак, программа выдала, каковы, на ее взгляд, значения Reference и Series резисторов. Если отличия от введенных нами величин небольшие (например, 4,2 ома вместо 3,9) - все замечательно. Можно пройти для верности процесс еще разок и приступить к реальным измерениям. Если программа выдает явный бред (например, отрицательные значения) - значит, надо поменять местами правый и левый каналы в разъеме X6 и повторить настройку заново. После этого, как правило, все становится нормально, хотя у некоторых коллег наблюдалось устойчивое нежелание программы настраиваться. То ли звуковая карта какая-то не такая, то ли еще что - не знаю. О встретившихся сложностях и найденных путях их преодоления сообщайте, оформим в виде FAQ (чувствую - придется).
Вроде настроились. Можно начать пожинать плоды своего труда. Берем какой-нибудь конденсатор или катушку индуктивности, щелкаем тумблер в положение IMP, выбираем созданный ранее сигнал sign1, пункт меню Measure-Passive Component... Есть результат? Должен быть. Не знаю, кто как, а я испытываю какую-то первобытную радость, когда вижу, что программа сама распознала, что за компонент я подключил, и выдала его значение «в простой письменной форме».
Точность измерений пассивных компонентов, по скромным оценкам, составляет 10-15%. Для изготовления кроссоверов этого, на мой взгляд, вполне достаточно.
Теперь переходим к динамикам. Здесь все так же легко и просто. Создаем новый динамик (Resource-NewDriver), указываем ему имя, открываем (напоминаю, клавиша F2). Теперь изучаем меню Measure. В принципе программа (ее подсказка) советует получить импедансы динамика в свободном состоянии (Fre - Air), затем в закрытом ящике, ввести значение объема ящика в Properties этого динамика, а затем рассчитать параметры Тиэле - Смолла (для этого, открыв динамик, нужно войти в меню Driver Estimate Parameters). Тут, однако, я встретил еще один подводный камень, поскольку значение эквивалентного объема программа считать отказывается (остается значение по умолчанию, 1000 л). Не беда, из двух графиков импеданса берем значения резонансных частот Fs и Fc и считаем Vas вручную по известной формуле: V as =V b ((F c /F s) 2 -1). Кто-то уже, наверное, ворчит, дескать, вот еще, самому что-то считать приходится - советую вспомнить, сколько вычислений производится при полностью «ручном» методе определения параметров. Вообще-то я надеюсь, что в последующих версиях программы эта и другие досадные ошибки будут устранены.
Хочу надеяться, что описанный мной простой и недорогой инструмент облегчит труд творчески мыслящего установщика. Конечно, конкуренции «Брюль&Къеру» он не составит, но ведь и вложения требуются совсем небольшие.
Повторите - не пожалеете.
О. Леонов
Читательское голосование
