Резонансная частота динамика что это?

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):

Резонансная частота динамика — это частота, при которой резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.

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)

Добротность динамика — 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 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?

Эквивалентный объем это возбуждаемый головкой закрытый объем воздуха, имеющий гибкость, равную гибкости C_ms подвижной системы головки.

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.

Примечание от редакции:
Перед началом работ над сабфувером рекомендуем обратить внимание на статью «FAQ по динамикам и сабвуферам».

FAQ по динамикам и сабвуферам

Введение

В последнее время стало слышно очень много вопросов про динамики и сабвуферы. Подавляющее большинство ответов можно получить на первых трех страницах любой книги, написанной профессионалами. Материал адресован в первую очередь начинающим , ленивым и сельским самодельщикам, подготовлен на основе книг И.А.Алдощиной, В.К.Иоффе, отчасти Эфрусси, журнальных публикаций в Wireless Worrld , АМ и (немного) личного опыта. HЕ использовалась информация из Интернета и ФИДОнета. Материал никоим образом не претендует на полноту освещения проблемы, а представляет собой попытку объяснить на пальцах азы акустики.

Чаще всего вопрос звучит примерно так: «нашел динамик, что с ним делать?», или «Товарищч, а говорят такие сабвуферы бывают›». Здесь мы рассмотрим только один вариант решения этой проблемы: По имеющемуся динамику сделать ящик , с оптимальными параметрами на HЧ, насколько это возможно. Этот вариант сильно отличается от задачи заводского конструктора-натянуть нижнюю частоту системы до необходимой по ТУ величины

[Q] Hашел по случаю большой динамик без опознавательных знаков. Как узнать, можно ли сделать из него сабвуфер?

[A] Hужно измерить его T/S параметры. Hа основании этих данных принимать решение о виде HЧ оформления.

[Q] Что такое T/S параметры?

[A] Минимальный набор параметров для расчета HЧ оформления, предложенный Тиллем и Смоллом.

Fs -резонансная частота динамика без оформления
Qts- полная добротность динамика
Vas- эквивалентный объем динамика.

[Q] Как измерить T/S параметры?

[A] Для этого нужно собрать схему из генератора, вольтметра, резистора и исследуемого динамика. Динамик подключается к выходу генератора с выходным напряжением несколько вольт через резистор сопротивлением порядка 1 кОм.

1. Снимаем V(F)=АЧХ сопротивления динамика в области резонанса. Динамик должен во время этого измерения находиться в свободном пространстве(вдали от отражающих поверхностей) . Hаходим сопротивление динамика на постянном токе (пригодится), записываем частоту резонанса в воздухе Fs (это та частота, на которой показания вольтметра максимальны , показания вольтметра Uo на минимальной частоте (ну к примеру 10 Гц) и Um на частоте резонанса Fs.

2. Hаходим частоты F1 и F2, в которых кривая V(F) пересекается с уровнем V=SQRT(Vo*Vm).

3. Hаходим Qts=SQRT(F1*F2)*SQRT(Uo/Um) / (F2-F1) это полная добротность динамика, можно сказать, важнейшая величина.

4. Для нахождения Vas нужно взять небольшой закрытый яшик объема Vc, с отверстием, немного меньшим диаметра диффузора. Плотно прислонить динамик к отверстию и повторить измерения. От этих измерений понадобится резонансная частота динамика в корпусе Fc. Hаходим Vas=Vc*((Fc/Fs)^2-1).

Эта методика написана в Аудио Магазине •4 за 99 год. Я ее не проверял.. Есть и другие, когда измеряются механические параметры головки, масса, гибкость и т.п.

[Q] У меня теперь есть параметры динамика, что с ними делать?

[A] Каждый динамик при проектировании затачивается под определенный вид акустического оформления. Чтобы узнать, подо что именно, посмотрим на добротность.

Qts > 1,2 это головки для открытых ящиков, оптимально 2,4
Qts 30 (?) экран и открытый корпус
Fs/Qts >50 закрытый корпус
Fs/Qts >85 фазоинверторы
Fs/Qts >105 Бандпассы (полосовые резонаторы)

Упругость, мясистость, сухость и др. подобные характеристики звука, издаваемого басовой колонкой, во многом определяются переходной характеристикой системы, образованной динамиком, нч оформлением и окружающей средой. Чтобы в этой системе не было выброса на импульсной характеристике, ее добротность должна быть меньше 0,7 для систем с излучением одной стороной динамика (закрытые и фазоинверторы) и 1,93 для двухсторонних систем (оформление типа экран и открытый ящик)

[Q] Где почитать про открытое оформление?

[A] Открытые ящики и экраны -простейший тип оформления. Достоинства: простота расчета, отсутствие повышения резонансной частоты (от размеров экрана зависит только вид частотной характеристики), почти неизменная добротность. Недостатки : большой размер передней панели. Достаточно грамотные и простые расчеты этого вида оформления можно найти в В.К. Иоффе, М.В.Лизунков. Бытовые акустические системы, М., Радио и связь . 1984. Да и в старых Радио наверняка есть примитивные радиолюбительские расчеты.

[Q] Как рассчитать закрытый ящик?

[A] Оформление «закрытый ящик» бывает двух типов, бесконечный экран и компрессионный подвес. Попадание в тот или иной разряд зависит от соотношения гибкостей подвеса динамика и воздуха в ящике, обозначается альфа (кстати говоря, первую можно померять, а вторую посчитать и изменить с помощью заполнения ). Для бесконечного экрана соотношение гибкостей меньше 3, для компрессионного подвеса больше 3-4. Можно в первом приближении считать что головки с бОльшей добротностью заточены под бесконечный экран, с меньшей-под компрессионный подвес. Для наперед взятого динамика закрытый корпус типа бесконечный экран имеет бОльший объем, чем компрессионный ящик. (Вообще говоря, когда есть динамик, то оптимальный корпус под него имеет однозначно определенный объем . Ошибки, возникшие при измерении параметров и расчетах, можно в небольших пределах поправить с помощью заполнения). Динамики для закрытых корпусов имеют мощные магниты и мягкие подвесы в отличие от головок для открытых ящиков. Формула для резонансной частоты динамика в оформлении объемом V Fс=Fs*SQRT(1+Vas/V) ,а приближенная формула, связывающая резонансные частоты и добротности головки в корпусе (индекс «с») и в открытом пространстве (индекс «s») Fc/Qtc=Fs/Qts

Другими словами, имеется возможность реализовать требуемую добротность акустической системы единственным способом, а именно выбором объема закрытого ящика. Какую добротность выбрать? Люди , которые не слышали звучания натуральных музыкальных инструментов, обычно выбирают колонки с добротностью более1,0. У колонок с такой добротностью (=1.0) наименьшая неравномерность частотной характеристики в области низших частот( а при чем здесь звук?), достигнутая ценой небольшого выброса на переходной характеристике. Максимально гладкая АЧХ получается при Q=0.7, а полностью апериодичная импульсная характеристика при Q=0.5. Hомограммы для расчетов можно взять в вышеприведенной книге.

[Q] В статьях про колонки часто встречаются слова типа «апроксимация по Чебышеву, Баттерворту » и т.п. Какое это имеет отношение к колонкам?

[A] Акустическая система представляет собой фильтр верхних частот. Фильтр может быть описан передаточной характеристикой. Передаточную характеристику всегда можно подогнать под известную функцию. В теории фильтров используют несколько типов степенных функций, названных по имени математиков, первыми обсосавшими ту или иную функцию. Функция определяется порядком(максимальным показателем степени, т.е. H(s)=a*S^2/(b2*S^2+b1*S+b0) имеет второй порядок) и набором коэффициентов a и b (от этих коэффициентов можно потом перейти к значениям реальных элементов электрического фильтра, или электромеханическим параметрам.) Далее, когда речь будет идти об аппроксимации передаточной характеристики полиномом Баттерворта или Чебышева или еще чем-то другим, это надо понимать так, что сочетание свойств динамика и корпуса (или емкостей и индуктивностей в электрическом фильтре) получилось таким, что с наибольшей точностью частотную и фазовую характеристики можно подогнать под тот или иной полином. Наиболее гладкой частотная характеристика получается, если ее можно аппроксимировать полиномом Баттерворта. Чебышевская аппроксимация характеризуется волнообразой частотной характеристикой, и бОльшей протяженностью рабочего участка (по Госту до -14 дБ) в область низших частот.

[Q] Какой вид аппроксимации выбрать для фазоинвертора?

[A] Итак перед постройкой простого фазоинвертора нужно знать объем ящика и частоту настройки фазоинвертора(трубы, отверстия, пассивного радиатора). Если в качестве критерия выбрать наиболее гладкую АЧХ( а это не единственно возможный критерий), то получится следующая табличка А) Qts 0,5- придется допустить волны на АЧХ, по Чебышеву. В случае А) фазоинвертор настраивается на 40-80% выше частоты резонанса В случае Б)-на частоту резонанса, В случае В) ниже частоты резонанса. Кроме того в этих случаях будет и различный объем корпуса.. Для того, чтобы найти точные частоты настройки, надо взять исходные формулы, достаточно громоздкие для того, чтобы приводить их здесь. Поэтому отсылаю интересующихся в АудиоМагазин за 1999 год, после этого ликбеза там уже можно будет разобраться, или в книги Алдошиной. И даже статьи Эфрусси в Радио за 69 год сгодятся.

Заключение

Если после прочтения всего этого у Вас еще осталось желание что-то склепать самому, то можно взять в Интернете какую-нибудь программку типа WinspeakerZ и рассчитать все это самому, памятуя о том, что из Г.. конфетку не сделать . Hе следует увлекаться снижением частоты среза, ни в коем случае не нужно пытаться скомпенсировать спад АЧХ усилителем. АЧХ может чуть чуть и выровняется, а вот звук обогатится массой гармоник и субгармоник. Напротив, лучшие результаты, в смысле приятности для уха, можно достичь принудительно загубив на входе УМ самые низшие частоты, т.е. частоты ниже частоты среза HЧ колонки. Еще одно замечание, касающееся фазоинверторов, ошибка в настройке частоты резонанса фазоинвертора в 20% приводит к всплеску или спаду АЧХ на 3 дБ.

Да, чуть не забыл сказать про сабвуферы, которые на самом деле полосовые резонаторы. Добротность динамиков для них должна быть еще ниже. Простейший бандпасс тоже поддается расчету, но на этом моя любезность заканчивается.

Тема: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Опции темы

Версия для печати
Подписаться на эту тему…

Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Приветствую всех. Изучаю тему построения АС, параметры ТС. Возникли некоторые моменты, которые никак не укладываются в кирпичную кладку знаний в моей голове. Предлагаю в этой теме НА ПАЛЬЦАХ разобрать такие моменты, возможно у кого то схожие непонятки и мы вместе сможем их преодолеть. Пока у меня рассуждения следующие:

Я понимаю работу так: ЧВ представляет собой трубу, к одному концу которой приделан поршень. Давайте опустим трубу с поршнем в воду и медленно, почти без усилия покачаем поршень, — он будет двигаться так, как позволяет ему плотность воды. Если увеличить скорость колебаний, то силы нужно будет затратить намного больше, потому что вода в трубе «прилипла» к поршню и к массе добавилась масса воды в трубе. То же самое происходит и внутри лабиринта ЧВ, только к массе диффузора прилипает масса «воздуха» внутри трубы. Увеличение массы диффузора ведет к снижению резонансной частоты динамика (резонансная частота — это частота, с которой будет болтаться некий предмет с массой (диффузор), подвешенный на резинке (подвес динамика): меняем предмет на потяжелее-болтаться будет чуть медленнее). Получается, что после установки в корпус у динамика диффузор стал тяжелее — резонансная чатота снизилась. Но тяжелый диффузор должен снизить чувствительность динамика, а у нас громкость по сравнению с тем же ЗЯ выше. Тут я так понимаю, помогает обратная сторона диффузора. Изначально он был в противофазе от того, который вышел из лицевой стороны диффузора. Но мы ж звук от нее пропустили через лабиринт, пока он по нему шел, затратилось какое-то время и фаза сместилась. Звуки из лицевой и тыльной стороны диффузора теперь не в противофазе и работают на нас. Таким образом мы избежали акустического замыкания и подняли эффективность системы относительно ЗЯ.

Собственно вопрос: прав ли я в суждениях? правильно ли у меня сформировалась картина?

Последний раз редактировалось Avenarius; 14.05.2015 в 11:43 .

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

и чб и фи выше настройки работают как ЗЯ, т.е если сигнал 500 гц, то из трубы 40 не будет.

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Avenarius, очень рекомендую почитать литературу. На конфе трудно выяснить истину, тут у всех свои заблуждения, и чтобы в них разобраться, и отличить мифы от крупиц правды, нужно быть очень хорошим специалистом. Поэтому лучше читать первоисточники по данной теме.

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

а если сигнал 50гц?

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

3.Магнитная система (мотор) динамика во время работы толкает и тянет его на себя ввиду того, что сигнал имеет волнообразную форму.

4.Подвес и шайба держит и ограничивает ход диффузора ввиду своей эластичности, а так же сопротивляется толканию

5.На частоте резонанса получается что мотор динамика толкает и тянет диффузор с той же скоростью с которой он бы вернулся сам.

6.В момент отталкивания мотор толкает с той же силой с которой подвес держит

Фундаментально сформулировано,красава!
Старик Эфрусси к сожалению несумел так доходчиво.

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Про ЧВ видел много наблюдений, что динамик c F = 43 Гц в ЧВ на 44 Гц доигрывает вплоть до 30-32 Гц и его хорошо слышно. Я про это явление писал.

———- Сообщение добавлено 13.37 ———- Предыдущее сообщение было 13.35 ———-

Издеваетесь?) Изложил как смог, трудно подбирать слова чтобы объяснить то, что хочу сказать. К тому же обязательное условие «На пальцах»

Последний раз редактировалось Avenarius; 14.05.2015 в 11:47 .

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Avenarius, очень много вы описываете не верно.
Лучше поищите ответы на свои вопросы в учебниках.
От себя могу посоветовать представлять все как резонансная система, как набор грузиков и пружин. На разных частотах и динамик и выхлоп порта ведет себя по разному

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

Дык я и писал про груз на резинке (считай пружина).
Может не сочтете за труд выделить неверные моменты?

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

—Ниже резонансной — диффузор движется до уравновешивания 2-х сил:
упругости подвеса и «мотора» динамика
—Вблизи резонансной болтается в добротность раз сильнее
—Выше резонансной — не успевает дойти до уравновешивания двух сил т.к. из-за массы обладает инерцией. С повышением частоты амплитуда движения становится всё меньше.

Почитай Шифман «Громкоговорители»

Re: Давайте обсудим работу динамиков на пальцах

1) Акустическое оформление ЧВ. Каким образом достигается работа динамика на частоте ниже собственной резонансной динамика, да еще и со снижением давления всего 6 дб на октаву.
Я понимаю работу так: ЧВ представляет собой трубу, к одному концу которой приделан поршень. Давайте опустим трубу с поршнем в воду и медленно, почти без усилия покачаем поршень, — он будет двигаться так, как позволяет ему плотность воды. Если увеличить скорость колебаний, то силы нужно будет затратить намного больше, потому что вода в трубе «прилипла» к поршню и к массе добавилась масса воды в трубе. То же самое происходит и внутри лабиринта ЧВ, только к массе диффузора прилипает масса «воздуха» внутри трубы. Увеличение массы диффузора ведет к снижению резонансной частоты динамика (резонансная частота — это частота, с которой будет болтаться некий предмет с массой (диффузор), подвешенный на резинке (подвес динамика): меняем предмет на потяжелее-болтаться будет чуть медленнее). Получается, что после установки в корпус у динамика диффузор стал тяжелее — резонансная чатота снизилась. Но тяжелый диффузор должен снизить чувствительность динамика, а у нас громкость по сравнению с тем же ЗЯ выше. Тут я так понимаю, помогает обратная сторона диффузора. Изначально он был в противофазе от того, который вышел из лицевой стороны диффузора. Но мы ж звук от нее пропустили через лабиринт, пока он по нему шел, затратилось какое-то время и фаза сместилась . Звуки из лицевой и тыльной стороны диффузора теперь не в противофазе и работают на нас. Таким образом мы избежали акустического замыкания и подняли эффективность системы относительно ЗЯ.

2) Акустическое оформление ФИ.
Вопрос: ФИ — это ящик с поршнем и дыркой в которую вставлена труба определенной длины. По моей логике с какой частотой поршень не качай в трубе все равно будет ходить воздух (считай звук) . А поскольку ящик с дыркой и трубой это система, которая всегда звучит на частоте настройки получается что с какой частотой бы не двигался диффузор ,- из трубы всегда будет идти звук частоты настройки? То есть скажем динамик выдает синус 50 ГЦ, а ФИ настроен на 40 ГЦ. Значит ли это что лицевая часть диффузора будет излучать 50 Гц и в ЭТО ЖЕ ВРЕМЯ труба будет басить на 40 Гц. Так ли это?

3) Работа динамика на резонансной частоте, выше и ниже ее. В упор не могу понять что происходит в таких случаях.
Магнитная система (мотор) динамика во время работы толкает и тянет его на себя ввиду того, что сигнал имеет волнообразную форму. Подвес и шайба держат и ограничивают ход диффузора ввиду своей эластичности, а так же сопротивляются толканию и ускоряют движение диффузора назад к нулевому положению. На частоте резонанса получается что мотор динамика толкает и тянет диффузор с той же скоростью с которой он бы вернулся сам. По идее в момент отталкивания мотор толкает с той же силой с которой подвес держит, этим объясняется малый ход динамика на частоте резонанса. Но в момент возврата силы притягивания должны сложиться и. Вернуться в ненулевое положение?? Не могу представить механику процесса. Что происходит когда частота работы ниже частоты резонанса? ТУТ ВЫ ВООБЩЕ О ЧЁМ ? Зачем вам нужен ответ ? Чуть ранее вам хорошо пояснили .

Основные параметры НЧ динамиков

Всем привет! Сегодня я постараюсь рассказать об основных параметрах автомобильных сабвуферов. Для чего же они могут понадобиться? А нужны они для того, чтобы правильно собрать короб для вашего динамика. Если не провести расчеты будущей коробки, сабвуфер будет гудеть, не будет громкого и глубокого баса. Вообще, сабвуфер — это независимая акустическая система, играющая низкие частоты от 20 ГЦ до 80 ГЦ. Можно с уверенностью сказать, что без сабвуфера никогда не получить качественного баса в автомобиле. Колонки конечно пытаются заменить НЧ динамик, но получается мягко говоря, слабо. Сабвуфер же, может помочь разгрузить колонки, взяв на себя низкочастотный диапазон, а фронтальной и тыловой акустике останется лишь играть средние и высокие частоты. Благодаря этому можно избавиться от искажений в звуке, и получить более гармоничное звучание музыки.

Теперь обсудим основные параметры низкочастотного динамика. Их понимание очень пригодится при постройке короба сабвуфера. Минимальный набор данных выглядит так: FS (резонансная частота динамика), VAS (эквивалентный объем) и QTS (полная добротность). Если неизвестно значение хотя бы одного параметра, лучше отказаться от этого динамика, т.к. рассчитать объем короба не получится.

Резонансная частота (Fs)

Резонансная частота — это частота резонанса НЧ головки без оформления, т.е. без полки, короба… Измеряется она следующим образом: динамик подвешивается в воздухе, как можно дальше от окружающих предметов. Так его резонанс будет зависеть только от него самого, т.е. от массы его подвижной системы и жесткости подвеса. Есть мнение, что низкая резонансная частота позволяет сделать отличный сабвуфер. Это не совсем верно, для определенных конструкций слишком низкая частота резонанса будет только помехой. Для справки: низкая частота резонанса, это 20-25 ГЦ. Редко встретишь динамик, у которого резонансная частота ниже 20 ГЦ. Ну а выше 40 ГЦ, будет слишком высоко для сабвуфера.

Полная добротность (Qts)

В данном случае означает не качество изделия, а соотношение вязких и упругих сил, существующих в подвижной системе НЧ головки около частоты резонанса. Подвижная система динамика очень похожа на подвеску автомобиля, в которой есть амортизатор и пружина. Пружина создает упругие силы, то есть собирает и отдает энергию в процессе движения. В свою очередь амортизатор, является источником вязкого сопротивления, он не накапливает ничего, а лишь поглощает и рассеивает в виде тепла. Аналогичный процесс происходит при колебании диффузора и всего, что к нему крепится. Чем выше значение добротности, тем сильнее преобладают упругие силы. Это примерно как машина без амортизаторов. Наедешь на небольшую кочку, и колеса запрыгает на одной пружине. Если говорить о динамике, это означает выброс с частотной характеристики на частоте резонанса, тем больший, чем больше полная добротность системы. Наивысшая добротность измеряется тысячами, и только у колокола. Он звучит исключительно на резонансной частоте. Распространенный способ проверки подвески автомобиля покачиванием из стороны в сторону, является кустарным способом измерения добротности подвески. Амортизатор губит энергию, которая появилась при сжатии пружины, т.е. она не вся вернется обратно. Количество загубленной энергии и есть добротность системы. Вроде бы с пружиной все ясно — её роль выполняет подвеска диффузора. Но где же амортизатор? А их тут целых два, причем работают они параллельно. Полная добротность состоит из двух: электрической и механической.

Механическая добротность обычно определяется выбором материала подвеса, в основном — центрирующей шайбы. Как правило, потери тут минимальны, и полная добротность состоит из механической лишь на 10-15%.

Большую часть составляет электрическая добротность. Самый жесткий амортизатор, имеющийся в двигательной системе динамика, это тандем магнита и звуковой катушки. Являясь по сути электромотором, он работает как генератор вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда движения звуковой катушки максимальны. Передвигаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает ток, а нагрузкой генератора является выходное сопротивление усилителя, т.е. ноль. В итоге получается такой же электрический тормоз, как на электричках. Там примерно также тяговые двигатели заставляют работать в режиме генераторов, а батареи тормозных сопротивлений на крыше являются нагрузкой. Величина вырабатываемого тока будет зависеть от магнитного поля. Чем сильнее магнитное поле, тем больше будет величина тока. В итоге получается, что чем мощнее магнит динамика, тем ниже его добротность. Но, т.к. при вычислении этой величины нужно принять во внимание и длину провода обмотки, и ширину зазора в магнитной системе, окончательный вывод делать на основании размера магнита будет не правильно.

Для справки: низкая добротность динамика будет меньше 0,3, а высокая больше 0,5.

Эквивалентный объем (Vas)

Большая часть современных динамиков основана на принципе «акустического подвеса». Смысл в том, что нужно подобрать такой объем воздуха, при котором его упругость будет соответствовать упругости подвеса громкоговорителя. То есть, добавляется еще одна пружина в подвеску динамика. Если новая пружина будет равна по упругости старой, такой объем и будет эквивалентным. Его величина определяется диаметром динамика и жесткостью подвеса.

Чем мягче будет подвес, тем больше будет величина воздушной подушки, присутствие которой начнет колебать головку. Тоже самое происходит при изменении диаметра диффузора. Большой диффузор, при одинаковом смещении, будет сильнее сжимать воздух в ящике, и тем самым будет испытывать большую отдачу. Именно на это стоит обращать внимание при выборе динамика, ведь объем короба зависит от этого. Чем больше диффузор, тем выше будет отдача сабвуфера, но и размеры короба будут внушительными. Эквивалентный объем сильно связан с резонансной частотой, не зная которых можно допустить ошибку. Резонансная частота определяется массой подвижной системы и жесткостью подвеса, а эквивалентный объем, той же жесткостью подвеса и диаметром диффузора. Может получиться так: есть два НЧ динамика одного размера и с одинаковой частотой резонанса, но у одного из них — частота резонанса зависит от тяжелого диффузора и жесткой подвески, а у второго — от легкого диффузора и мягкого подвеса. Эквивалентный объем, в этом случае, может очень существенно отличаться, и при установке в один и тот же короб, результаты будут сильно разница.

Надеюсь, я немного помог разобраться с основными параметрами НЧ динамиков.

Измерение и расчет параметров Тиля-Смолла

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

резонансная частота Fs (Гц)
эквивалентный объем Vas (л)
полная добротность Qts
сопротивление постоянному току Re (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится:

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

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

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

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

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

Re – сопротивление динамика по постоянному току (Ом)

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

Fs – частота основного резонанса (Гц)

Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Показания вольтметра, умноженные на 1000, дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax. Получив похожую кривую импеданса, можно рассчитать остальные параметры.

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

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

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

Qms – механическая добротность

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

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

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

Qes – электрическая добротность

Qts – полная добротность

Мы нашли и рассчитали основные параметры, по которым можем сделать некоторые выводы:

Если резонансная частота динамика выше 50 Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
Если резонансная частота динамика выше 100 Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 – исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры – к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Но при этом не обойтись без других, не менее важных параметров – Vas, Sd, Cms и L.

Sd – эффективная излучающая поверхность диффузора (м 2 )

П – число “пи” математическая постоянная, равная 3,14;
r – радиус, в данном случае половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади – квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.

L – индуктивность катушки динамика (Гн)

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

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

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

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

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

Vas – эквивалентный объем

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

Vas – метод добавочной массы

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

Cms – относительная жесткость на основе полученных результатов:

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

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

Vas – метод добавочного объема

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

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

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

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

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