Параметры Тиля — Смолла (Fs, Qts, Vas) ⋆ Doctor BASS

Параметры сабвуфера Fs, Qts, Vas. Параметры Тиля — Смолла

Тиль и Смолл

Тиль и Смолл это два ученых, которые сформировали единый, общепринятый подход к вычислению характеристик низкочастотных динамиков на основе основных параметров (Fs, Qts, Vas).

Невил Тиль/A. Neville Thiele (слева), Ричард (Рихард) Смолл/Richard Small (справа)

Параметры Тиля — Смолла определяют поведение динамика в диапазоне низких частот

Для нас с вами эти параметры очень важны, так как они используются для расчета правильного акустического оформления динамика или проще — для расчета корпуса сабвуфера. Все необходимые данные вы можете найти в технической документации на саб, часто они указываются и на коробках. Ниже мы подробнее рассмотрим основные параметры для понимания звуковых процессов и нюансов при выборе сабвуфера.

Параметры (Fs, Qts, Vas)

Fs — резонансная частота динамика

Резонансная частота (Fs) — частота резонанса сабвуфера без акустического оформления (без корпуса).

Fs меньше 25 Гц считается низкой, а больше 40 Гц — высокой. Резонансная частота  зависит от общей жесткости подвеса сабвуфера  и массы его подвижной системы. Общая жесткость, в свою очередь, зависит от жесткости центрирующей шайбы и жесткости подвеса диффузора. 

Развернуть расчет Fs

Fs — резонансная частота динамика, Гц

,

где:

Сms — гибкость подвеса подвижной системы динамика, м/Н,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг.

Qts — полная добротность

Полная добротность (Qts)  — это упругость (контроль) динамика в районе резонансной частоты (Fs).

Другими словами — чем выше добротность, тем сильнее «болтается» саб в районе своей резонансной частоты (Fs), а чем ниже, тем эффективнее колебания гасятся (контролируются).

Складывается из механической добротности, которая зависит в основном от материала центрирующей шайбы, а не подвеса диффузора, как многие думают и электрической добротности, зависящей от величины магнита, длины обмотки катушки и ширины зазора в магнитной системе. От полной добротности механическая составляет 10-15%, а электрическая 90-85%, соответственно.

Низкой добротностью считается значение 0.3-0.35, высокой — 0.5-0.6.

Развернуть расчет Qts

Qts — полная добротность на частоте Fs,

,

где:

• Qms — механическая добротность на частоте Fs,

,

Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Rms — механическое сопротивление подвеса подвижной системы (определяет «потери» в подвесе), Н·с/м,

• Qes — электрическая добротность на частоте Fs,

,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Re — сопротивление звуковой катушки, Ом,

Bl — коэффициент электромеханической связи (индукция поля в магнитном зазоре умноженная на длину провода звуковой катушки), Тл·м.

Vas — эквивалентный объем

Эквивалентный объем (Vas) — объем воздуха в корпусе, обладающий той же упругостью, что и сабвуфер. Зависит от жесткости подвеса и площади диффузора (диаметра) динамика.

Чем больше диаметр и мягче сабвуфер, тем больше Vas.

Нужно отметить особенность  связи Vas и Fs. Так как, резонансная частота (Fs)  определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем (Vas) — диаметром диффузора и той же массой подвижки, может получится, что  два сабвуфера одного диаметра и с одинаковой Fs будут совершенно разными — один тяжелый и жесткий, другой легкий и мягкий. Соответственно, эквивалентный объем для этих динамиков будет совершенно разным, как и размер правильного корпуса — вот почему данный параметр очень важен при расчетах короба для саба.

Развернуть расчет Vas

Vas — эквивалентный объем, л,

,

где:

• ρ — 1,18421 кг/м³ — плотность воздуха при температуре 25 °C и влажности 0 %,
• с — 346,1 м/с — скорость звука при 25 °C,
• Sd — площадь диффузора, м.

Видео

Используйте параметры  Тиля — Смолла для того, чтобы рассчитать корпус для сабвуфера. Применяйте эти параметры для правильного выбора типа корпуса сабвуфера (ЗЯ, ФИ, ЧВ, FreeAir) или для подбора динамика под задуманный тип, как это правильно сделать читайте здесь.

Читать еще:

Жмите на кнопку чтобы поделиться материалом:

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Расчет корпуса для сабвуфера с наклонной стенкой ⋆ Doctor BASS

Всем привет, в этой статье расскажу, как правильно рассчитать и спроектировать корпус с наклонной стенкой.

Имеется ввиду, что у нас есть рассчитанный объем для определенной настройки сабвуфера и нам необходимо определить размеры ящика, соответствующей вместимости. Если в размерах ошибиться и не выдержать заявленный объем, то и играть саб будет с другой настройкой и тогда пропадает весь смысл предварительных расчетов.

Угол наклона

Для начала определяемся с углом наклона стенки. Если делать ящик для удобства расположения за задними сиденьями, то наклон можно измерить с помощью картонного лекала или шаблона. Для этого нужно подставить лист картона и обрезать по сиденьям, так получим форму угла наклона. Останется померить его транспортиром.

Замер угла наклона с помощью картонного шаблона

А вообще, стандартом для не регулируемых сидений принят угол в 23° . Имеется ввиду угол от вертикали. Соответственно тот, который нужен нам, будет равен 67°.

Расчет корпуса

Теперь нужно определить, какие размеры будут ограничивать наш корпус с наклонной стенкой.

Основной параметр — это высота динамика, так как если сделать переднюю стенку (h) короче, то саб попросту не поместится. И лучше сделать небольшой запас по краям динамика.

Для расчета чертежа нужен еще один ограничивающий размер. Это может быть как ширина ящика (f), так и его глубина по основанию (b), либо по потолку (a).

Если задача  сделать ящик наименее глубоким, то в этом случае ограничивающим размером для нас станет монтажная глубина динамика.

Нужно, подобрать размер a

так, чтобы магнит не упирался в заднюю стенку (c). Самое простое и эффективное решение — это выбрать размер a, равным монтажной глубине саба. Таким образом он точно не упрется в стенку, а скос добавит достаточное расстояние за магнитом.

Затем, нужно определить расстояние b. Его можно измерить таким же образом как и угол —  с помощью картонного шаблона. Но если такой возможности нет, то можно и вычислить.

Длина b рассчитывается через котангенс угла L. Зная котангенс этого угла, а так же размеры h и a вычисляется сторона b.

Развернуть расчет

Затем находим площадь трапеции a b c h.

Поделив имеющийся объем на эту площадь, получим  значение  f.

Но чтобы не тратить ваше время на мучительные попытки вспомнить тригонометрию, я убрал расчеты под кат, а для вас накидал вот такой удобный файлик.

Скачать файлик exel

В таблицу вводятся известные параметры и она посчитает  все остальные размеры.

Тут есть возможность считать форму по основанию через расстояние b, через a по потолку и через f, если нужно отталкиваться от ширины корпуса. Для каждого способа есть отдельная вкладка.

Сделать деталировку на корпус с наклонной стенкой посложнее чем стандартного, поэтому понятный чертеж очень поможет в этом деле. Обязательно обратите внимание, что рассчитываются внутренние размеры и при построении чертежа нужно будет учитывать толщину материала.

Видео

Посмотрите видео о том, как правильно рассчитать корпус с наклонной стенкой.

Удачных построений!

Читать еще:

Поделитесь материалом, если считаете его полезным:

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Расчёт корпуса и фильтров акустической системы

Конструирование акустических систем по готовым чертежам дело, конечно, увлекательное, но элемент творчества при этом, как ни крути, отсутствует. Вот если бы овладеть основными принципами построения АС, а затем все самому рассчитать и сделать из того, что есть под руками, — вот был бы класс! Это возможно, если взять несколько уроков у опытного мастера. Сегодня — первое занятие.

Все любители и специалисты, заинтересованные в достоверном воспроизведении звука, знают, что без хороших акустических систем не обойтись. Поэтому особенно озадачивают противоречия между различными взглядами на критерии качества АС. Ещё менее ясно, какие методы создания АС надежнее и приводят к приемлемым результатам.

Даже начального опыта прослушивания достаточно, чтобы заметить очень большую разницу между звучанием одной и той же музыки на разных моделях. При этом основной параметр — амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — почти всегда близок к идеалу, если верить данным фирм-производителей.

Большинство меломанов не может самостоятельно измерить АЧХ и приходит к выводу: проблема АЧХ практически решена, качество воспроизведения звука зависит от конструкции и материалов динамиков, корпусов, кроссоверов. Например: катушка без сердечника — хорошо, с сердечником — хуже. Или: корпус весом в 40 кг лучше, чем 20-килограммовый, при тех же габаритах и т.д.

Разумеется, оспаривать влияние динамиков, корпусов, элементов кроссовера, кабелей внутренней разводки, звукопоглотителей и прочих составляющих было бы ошибкой, но всё ли в порядке с АЧХ? Независимые измерения, например, в хорошо оснащённых лабораториях авторитетных зарубежных и отечественных аудиожурналов, не подтверждают оптимистических параметров, заявленных производителями.

На практике каждая модель АС имеет свою кривую АЧХ, разительно отличающуюся от других разновидностей колонок, причем это относится к любой ценовой группе. Наблюдаемая разница многократно превосходит порог заметности, известный из психоакустики, ее просто невозможно не услышать. И слушатели её, конечно, замечают как различие тембрального баланса при воспроизведении одних и тех же композиций разными АС. Идентифицировать искажения тембра с проблемами равномерности АЧХ нелегко, ведь перед глазами — ровные, будто по линейке нарисованные характеристики от изготовителя.

Не факт, что эти изумительные графики — обман. Просто для рекламы измерения производятся по методикам, обеспечивающим «благообразный» вид кривых. Например, при повышенной скорости сканирования рабочего диапазона в сочетании с высокой инерционностью, то есть усреднением пиков и провалов при регистрации зависимости звукового давления от частоты.

Производителей можно понять, в конце концов, все мы хотим выглядеть несколько лучше, чем на самом деле, и поэтому причёсываемся, умываемся и т.д. перед ответственными встречами.

Гораздо интереснее другое: почему одна АС с «плохой» АЧХ звучит хорошо, а другая, может быть, обладающая менее безобразной характеристикой, — гораздо хуже? Независимые, более «честные» измерения выявляют несовершенство передачи тембрального баланса из-за особенностей АЧХ, но не помогают интерпретировать, расшифровать смысл «перегибов» и дисбалансов характеристик, раскрыть связь между поведением кривой и конкретными особенностями звучания АС. Вот подходящее сравнение: кардиограмма ничего не говорит обычному человеку, тогда как врач-специалист способен прочитать по ней состояние пациента.

Наша сегодняшняя задача — научиться анализировать АЧХ. Начнём с самого общего вопроса. Почему, обладая всем необходимым, разработчики не создают идеальной, одинаково хорошо звучащей акустики. Ведь идеал, эталон — только один! Очевидно, что все колонки, близкие к нему, будут звучать очень похоже. Существует ряд общепризнанных методик обеспечения «ровной» АЧХ, и одна из основных — настройка АС в заглушенной, безэховой камере. Есть и другие, вроде бы логичные и адекватные методы, например, настройка по импульсным сигналам. Но работая по одинаковым алгоритмам, специалисты каждый раз получают разный результат. Вспомните откровения авторитетных зарубежных мастеров, опубликованные в аудиопрессе: «… обеспечив идеальную АЧХ в звукомерной камере, мы потом «портим» эту характеристику для получения приемлемого звучания в обычных условиях…». Не пора ли прекратить молиться на равномерность АЧХ с точки зрения некой общеизвестной методики измерения?

Ведь любой способ измерения в науке и технике неизбежно даёт целый комплекс разносортных ошибок. В нашем случае самые вредные ошибки — методические, то есть связанные с несовершенством самого подхода. Например, где располагать микрофон относительно АС в звуковой камере? На акустической оси? А где эта ось? Перед ВЧ-динамиком? А если он воспроизводит начиная с 8 кГц? Тогда, видимо, точнее мерить на оси СЧ-динамика? А если сместить микрофон на 5 см выше? Получим совсем другую АЧХ. На какую ориентироваться? И почему мы думаем, что ухо слушателя окажется именно там, где находился микрофон?

Кроме того, на НЧ и нижней середине АС активно взаимодействует с полом, влияние которого в безэховой камере отсутствует.

Об интеграции излучения АС с помещением прослушивания в данный момент даже и разговор не будем начинать. Это взаимодействие очень сильно влияет на звучание, но его конкретные проявления бесконечно разнообразны, поэтому не умещаются в «ложе» какой-либо математической модели, с достаточной точностью необходимой для действительно высокого качества воспроизведения.

Ещё интересный факт: в реальном помещении суммарная АЧХ двух АС стереопары, даже при сильном усреднении, сильно отличается от АЧХ одной АС. Традиционные методики настройки АС не учитывают этого важного обстоятельства. Это недопустимо, так как главные персоны в музыке — солисты — чаще всего локализуются в центре звуковой сцены, то есть — воспроизводятся обеими АС.

Можно сделать вывод: при таком обилии методических ошибок обычные способы контроля АЧХ дают неправильную характеристику для реально очень ровных АС (например, Audio Note, Magnepan и т.д.). С другой стороны, крайне подозрительно выглядят полученные по ненадёжным методикам слишком гладкие АЧХ. В этом случае ошибки измерений скомпенсированы специально сформированной характеристикой, которую разработчик обеспечивает, слепо доверяя не оправдавшим себя на практике способам измерений.

Меньше всего мне хотелось бы заменять веру в одни несовершенные принципы верой в другие, мои. Они тоже далеко не идеальны, в них присутствуют заметные методические ошибки, только менее грубые.

Залог прогресса — понимание недолговечности роли достигнутых знаний и умений, готовность воспринимать, в процессе практической работы и исследований, новые открытия. Надо уметь пересматривать подходы к достижению лучших результатов, если количественный рост позволяет совершить качественный скачок.

Итог работы зависит от методов и развития личности создателя АС. Известны превосходные изделия, рожденные в рамках традиционных подходов, при условии высочайшего класса и опыта разработчиков.

Моя цель — вооружить всех желающих достаточно эффективной методикой создания АС с приемлемым звучанием. Длинное вступление было необходимо для того, чтобы обратить ваше внимание на факторы, мешающие развивать искусство настройки АС.

Мне бы хотелось передать свой опыт, не тратя на это непомерных «писательских» усилий. Поэтому буду рассказывать только о добытых на практике фактах и методах работы, без обоснований и теоретических объяснений. Мой принцип — уверенно излагать своё мнение можно, если имеется аудиосистема, хорошим звучанием подтверждающая рекомендации автора. Для доступности расчёты и приёмы настройки максимально упрощены, без существенного вреда для результата.

Урок первый. Корпус

В первую очередь ограничим необъятную тему. Рассмотрим разработку и настройку двух полосных АС с фазоинвертором (ФИ). Такой тип легче «поддаётся» новичкам. Договоримся, что озвучиваем жилую комнату 10 — 20 м². Это определяет выбор диаметра НЧ/СЧ-динамика. В этом случае оптимальный диаметр диффузора — 10 — 20 см (примерно). Паспортная мощность (100 часов разового шума без повреждения громкоговорителя) — 20 — 60 Вт. Чувствительность — 86 — 90 дБ/Вт/м. Резонансная частота (вне корпуса) — не выше 60 Гц. Если вас устроит нижняя граничная частота (готовой АС) 100 Гц, можно брать динамик с резонансом 80 — 100 Гц.

Кстати, если АС без завала воспроизводит хотя бы от 100 Гц, звучание вполне фундаментально и «весомо», только иногда исчезают некоторые необязательные, но очень желательные элементы звуковой картины. Их можно восстановить сабвуфером, но чтобы при этом не испортить звук, надо набраться опыта его согласования с сателлитами.

Не обольщайтесь по поводу паспортных данных недорогих АС, свидетельствующих о воспроизведении НЧ от 30 до 40 Гц. Реально в формировании звуковой картины участвуют только те низкие ноты, которые отыгрываются без «завала». Всё, что имеет спад хотя бы 4 — 5 дБ, маскируется «верхним басом» (80 — 160 Гц), поэтому для большинства АС воспринимаемый на слух диапазон начинается с 50 — 80 Гц. Мы же привыкли думать, что это 30 — 40 Гц, поскольку ориентируемся на паспортные данные с допустимым отклонением -8 — -16 дБ. Повнимательнее посмотрите в аудиопрессе на реальные частотные характеристики колонок. Отмерьте, в соответствии с приведённым масштабом, -3 дБ от среднего уровня, и вы увидите, что даже крупные напольные АС эффективно работают где-то от 50 Гц.

Если диаметр диффузора — 10 — 12 см, чувствительность — 86 — 88 дБ/Вт/м, а мощность — 20 — 30 Вт (типичные параметры недорогого динамика), то о «домашней дискотеке» придётся забыть. С другой стороны, громкоговорители минимального диаметра нередко имеют более равномерную АЧХ, чем большие.

«Малыши» лучше по ширине и равномерности диаграммы направленности. Интересно, что одна из высочайших по качеству АС фирма System Audio принципиально использует только маленькие мидбасовые динамики. Полная добротность современных небольших НЧ-головок обычно составляет 0,2 — 0,5.

Не надейтесь на расчёты низкочастотного оформления, практические результаты им соответствуют недостаточно точно. Опыт показывает: лучше выбрать динамики с добротностью больше 0,3 — 0,4, иначе, даже с фазоинвертором, трудно обеспечить приемлемый бас. Для таких громкоговорителей имеет смысл изготавливать корпуса объёмом, примерно равным эквивалентному объёму громкоговорителя.

Очень ориентировочно для рекомендуемых по параметрам динамиков эквивалентный объём соответствует диаметру:

10 см — ≈ 18 литров;

16 см — ≈ 26 литров;

20 см — ≈ 50 литров.

В качестве базисного варианта рассмотрим корпус с ФИ для громкоговорителя диаметром 16 см. Объём — 26 литров. Площадь сечения ФИ — 44 см². Длина трубы ФИ — 20 см. Частота настройки — около 40 Гц. Площадь сечения ФИ должна составлять 20 — 25% от площади диффузора Sд.

Sд = π • (d/2)²,

где d — диаметр диффузора, ограниченный серединой подвеса (рис. 1).

 

Рис. 1

Если необходимо пересчитать габариты трубы ФИ для другого «литража» (другой диаметр динамика), сохраняя частоту настройки, действуйте в соответствии с примерами:

1. Громкоговоритель d = 9 см, Эквивалентный объём (Vэ) ≈ 8 л. 8 литров меньше 26 литров в 3,25 раза. Надо скомпенсировать разницу изменением длины (l) и площади (Sфи) трубы ФИ, иначе частота резонанса ФИ резко повысится.

Понижают частоту настройки Fфи увеличением lфи и снижением Sфи.

Оптимальная Sфи для динамика площадью:

Sд = π (9 см/2)² = 3,14 • (4,57 см)² ≅ 63,6 см²

находится в диапазоне:

Sфи ≈ 63,6 см²/5 … 63,6 см²/4 ≅ 13 см² … 16 см².

В данном случае уменьшение Sфи вносит вклад в понижение Fфи в

44 см²/(13 см² … 16 см²) ≈ 2,75 … 3,38 разa,

что вполне компенсирует изменение объёма АС в 3,25 раза.

Кстати, компенсировать снижение объёма увеличением длины трубы ФИ для маленького корпуса (V = 8 литров) невозможно. Тем более что от внутреннего среза трубы ФИ до ближайшего препятствия (до стенки корпуса АС) должно быть свободное расстояние не менее 8 см (в крайнем случае — 5 см). То есть один из габаритов корпуса (параллельный оси трубы ФИ) должен быть равен lфи (20 см) + 8 см (свободное пространство) + примерно 3 см (толщина двух стенок корпуса) = 31 см.

Для 8-литрового корпуса такой большой размер может быть только высотой. Возможная конструкция щелевого ФИ с прямоугольным сечением трубы показан на рис. 2а.

Рис. 2

Это очень непрактичная конструкция, так как требуется установка на специальную подставку, не загораживающую выход ФИ. Если вывести порт наверх, установка АС упростится, но вид сверху ухудшится, кроме того, колонка превратится в отличную ловушку для пыли, сора и мелких предметов.

Очень удобна конструкция, показанная на рис. 2б. Однако она требует увеличить высоту до 31 см + 8 см = 39 см. Это не всегда допустимо.

Можно изготовить корпус в виде глубокой «буханочки», с наибольшим размером — в глубину (рис. 2в).

Если не удаётся обеспечить нужную длину трубы, можно:

во-первых, выбрать минимальную

Sфи = Sд / 6; Sфи = 63,6 см² / 6 ≈ 10,6 см²;

во-вторых, несколько уменьшить lфи (≈ на 30 %), пожертвовав повышением Fфи до ≈ 50 — 60 Гц.

Уменьшение Sфи до 10,6 см² снизит эффективность ФИ и, соответственно, увеличит «завал» отдачи в диапазоне 40 — 60 Гц.

Рост Fфи при уменьшении lфи допустим, так как резонансная частота динамика диаметром 10 см выше, чем у громкоговорителя 16 см. Это значит, что ФИ с резонансом в 55 Гц не просуммирует свой подъём НЧ с резонансом динамика в ящике (≈ 70 — 90 Гц в данном случае) и не будет вредного для звучания подъёма на НЧ в области 50 — 100 Гц, который мог бы возникнуть, например, при укорочении ФИ для корпуса с динамиком 16 см.

Итак, для 8-литрового ящика и громкоговорителя диаметром 10 см вполне нормально выбрать lфи ≅ 14 см, Sфи ≅ 13 см².

2. Громкоговоритель d = 18 см, эквивалентный объём (Vэ) ≈ 50 л. 50 литров больше, чем 26 литров, в 1,92 раза.

Оптимальная Sфи для динамика площадью:

Sд ≅ 3,14 • (18 см / 6)² ≈ 254,3 см²

находится в диапазоне

Sфи ≈ 254,3 см²/5 … 254,3 см²/4 ≈ 51 см² … 64 см².

Увеличение Vэ в 1,92 раза сильнее влияет, чем увеличение Sфи в 1,45 раза. В целом Fфи понижается ориентировочно до 35 Гц. Так как резонансная частота динамика (Fд) диаметром 20 см ниже, чем Fд диаметром 16 см, то снижение Fфи — положительный фактор. Не стоит компенсировать это уменьшением lфи.

Опытные профессионалы способны точно настраивать параметры фазоинверсного акустического оформления, добиваясь максимально плоской АЧХ в диапазоне от нижней граничной частоты АС до 125 — 200 Гц. Любителю или новичку не стоит тратить на это особых усилий.

В дальнейшем я поясню, как проконтролировать полученную АЧХ на НЧ и как устранить недопустимые отклонения, если таковые обнаружатся. Кроме того, влияние на звучание неидеальности характеристики в области НЧ сильно зависит от соотношения уровня воспроизведения баса по сравнению со средними частотами. Нельзя забывать, что из-за взаимодействия АС с реальным помещением АЧХ в нижнем регистре в любом случае будет очень неравномерной.

Главные усилия необходимо сосредоточить на настройке желаемой АЧХ в области СЧ и балансировке между НЧ, СЧ и ВЧ. На первом этапе создания АС — при разработке корпуса, достаточно учесть следующие рекомендации.

Корпус должен молчать. В идеале воспроизводят звук только громкоговорители, но в реальной жизни корпус откликается на их работу. Переизлучение звука стенками ящика вносит искажения.

Один из простейших способов улучшения виброзащиты корпуса — увеличение толщины стенок. Здесь следует знать меру, прослушивание показывает, что начиная с некоторого значения эта мера даёт незначительноё улучшение звучания. Для полочных АС вполне достаточно будет 16 — 8 мм ДСП или ДВП. Выгодно укреплять корпус изнутри рёбрами жёсткости. Вариант их практического использования показан в моей статье «Повторение возможно» в «Практике» №2(4)/2002, июль).

Там же достаточно подробно изложены рекомендации по следующим вопросам:

• размещение звукопоглощающих материалов внутри корпуса;
• особенности изготовления фильтров;
• как самостоятельно сделать кабели для внутренней разводки очень высокого качества;
• требования к герметизации корпуса;
• минимальные сведения, необходимые для выбора типа конденсаторов.

В упомянутой статье также рассмотрены вопросы выбора динамиков и затронуты некоторые другие проблемы. Имеет смысл отнестись к этому как к части изложения моих методов работы, поэтому повторяться не стану.

Разумеется, существует много способов виброзащиты корпуса АС. Они приведены, например, в книге «Высококачественные акустические системы и излучатели» (И.А. Алдошина, А.Г. Войшвилло. — М.: Радио и Связь, 1985.). Практика показывает, что 16-миллиметровые стенки, укреплённые рёбрами жёсткости, обеспечивают достаточную виброзащиту.

Абсолютных истин нет. У акустически мёртвых корпусов есть альтернатива — использование массива различных пород дерева, каждая из которых обладает собственным звучанием. Это — трудный путь с технологическими и творческими проблемами. Он не для новичков, здесь требуется высшая квалификация в области деревообработки, тонкое восприятие музыки, упорство в поиске приемлемых вариантов исполнения корпуса. Иногда таким образом удаётся создать превосходные АС.

Урок второй. Фильтры

Если вы думаете, что фильтр это просто схема, разделяющая сигнал на несколько частотных полос для соответствующих громкоговорителей, то вынужден буду вас разочаровать. Всё гораздо сложнее. Простой кроссовер нужен для идеальных динамиков с ровной АЧХ по звуковому давлению, но таковых, к сожалению, не существует. В лучшем случае некоторые типы динамиков позволяют обеспечивать приблизительно приемлемую балансировку АЧХ при лобовом использовании кроссоверов.

Положение усложняется из-за сложного взаимодействия громкоговорителей в полосе передачи эстафеты от низкочастотного к более высокочастотному. Например, имеем замечательно ровные в своих полосах СЧ и ВЧ-головки с аккуратными спадами АЧХ вне полос, а при совместной работе получаем ужасную АЧХ. Особенно проблематично для новичка состыковать НЧ и СЧ-динамики. Приёмы такого бесшовного соединения — тема отдельной статьи. Для начала необходимо набраться опыта, настраивая двухполосную АС.

Даже самые простые фильтры — мощный инструмент в умелых руках, позволяющий приблизить АЧХ реальной АС к желаемому идеалу. Для НЧ/СЧ-головок фильтры первого порядка (катушка индуктивности, включенная последовательно с динамиком) чаще всего не подходят. Они недопустимо деформируют АЧХ в полосе пропускания, заваливают середину, делая звучание тусклым, неритмичным, монотонно гудящим. В некоторых случаях такой фильтр позволяет чуть скорректировать АЧХ в верхней части диапазона, воспроизводимого НЧ/СЧ-головкой. При этом частота среза такого фильтра близка верхней частоте динамика.

У редких головок наблюдается рост отдачи, пропорциональный повышению частоты сигнала на протяжении нескольких октав. Сбалансировать АЧХ в этих случаях можно индуктивностью фильтра первого порядка, но чаще для этого применяют фильтры второго порядка. Они позволяют исключить сильные искажения АЧХ в полосе пропускания.

Подбором сочетаний величин ёмкости и индуктивности фильтра второго порядка можно обеспечить в полосе около частоты среза спад или подъём АЧХ, используя схему в качестве эквалайзера. Это — один из методов оптимизации АЧХ.

На рис. 3 показан фильтр второго порядка. Ёмкость включена параллельно динамику.

Рис. 3

Первое приближение

Рассчитаем значения L1 и С1 для фильтра без подъёма или спада на частоте среза. Поверим значению импеданса, приведённому производителем. Если бумажек нет, померяйте сопротивление по постоянному току и умножьте результат на 1,25. Обозначим полученное значение просто R.

L1 = R / (2π • Fc),

где Fс — частота среза,

C1 = 1 / ((2π • Fc)² L1).

Например: R = 4 Ом, Fс = 1,6 кГц.

L1 = 4 / (6,28 • 1.6 • 10³) = 3,98 • 10^-4 H = 0,398 mH = 398 μH,

C1 = 1 / [(6,28 • 1,6 • 10³)² • 3,98 • 10^-4] = 2,49 • 10^-5  F = 24,9 μF.

Для справки:

Fc = 1 / (2π √L1 C1).

В этом случае модули (величины без учёта фазы) сопротивления L1 и C1 на частоте Fс равны R, то есть 4 Ом. Кстати, на частоте среза модули сопротивления L1 и C1 всегда равны.

Если выравнивание АЧХ требует подъёма на Fc, скажем, на 1 дБ, то есть примерно но 10%, необходимо снизить модули сопротивления L1(|Z_L1|) и C1(|Z_C1|) примерно на 10% по сравнению с R = 4 Ом, то есть до 4 Ом x 0,9 = 3,6 Ом.

L1 = 3,6 / (6,28 • 1,6 • 10³) = 3,58  10^-4H = 0,358 mH = 358 μH.

C1 = 1 / [(6,28 • 1,6 • 10³)² • 3,58 • 10^-4] = 2,77 • 10^-5 F = 27,7 μF.

Частота среза остаётся прежней, но на Fс на головку подаётся ≈110% сигнала за счёт повышенного потребления тока от усилителя и преобразования его «звенящим» фильтром с добротностью больше единицы в форсированный сигнал на головке.

Если надо «завалить» область около Fc на 1 дБ, то нужно пересчитать фильтр, как будто его нагрузка — сопротивление динамика примерно 1,1 x 4 Ом = 4,4 Ом.

Проще получить нужные значения, увеличив L1 и уменьшив С1. Тогда Fc не изменится, а |Z_L| и |Z_C| будут равны 4,4 Ом.

L1 = 398 mН x 1,1 = 438 mН.

С1 = 24,9 mF x 1,1 = 22,64 mF.

Для справки:

|Z_L1| = 2π • F • L1, |Z_C1| = 1 / (2π • F • C).

Учтите, что при необходимости увеличения отдачи в области около FC придётся смириться с падением импеданса АС в этой же области.

Падение импеданса необходимо контролировать. Попробуйте следующий простой способ.

1 этап

Подключите к выходу вашего усилителя цепь, показанную на рис. 4а.

Рис. 4

На этом рисунке значок «+» соответствует красной клемме, а «-» — чёрной. На результаты измерений перемена полярностей не влияет.

Подайте на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 1 кГц от генератора. Регулятором громкости усилителя и регулятором выходного уровня генератора установите на выходных клеммах усилителя ≈1 В действующего напряжения. Для этого вам понадобится вольтметр, способный измерять действующее значение напряжения в области звуковых частот.

Переключите вольтметр для измерения напряжения на выходах резистора R2. Прибор покажет ≈38,5 мВ. Подрегулируйте уровень сигнала до показаний вольтметра ≈40 мВ.

2 этап

Подключите вашу АС вместо R2. Плавно изменяйте частоту сигнала на выходе генератора. Вы увидите, что показания вольтметра меняются. Эти изменения пропорциональны частотно-зависимому значению импеданса АС. Можно зарисовать измеряемую характеристику: по горизонтальной оси будет шкала частоты, по вертикальной — уровня напряжения. И то и другое выполняется в логарифмическом масштабе. (Пример пустого бланка будет опубликован в следующем номере «Практики AV».) Особенно внимательно ищите минимумы напряжения, плавно меняя частоту. Эти точки на характеристике соответствуют минимумам импеданса АС.

С достаточной точностью можно считать, что значение импеданса |Z_AC| равны показаниям вольтметра, поделённым на 10.

Например, 40 мВ соответствует 4 Ом, 30 мВ — 3 Ом. Если у вас нет чувствительного вольтметра, то поможет хороший тестер. В режиме измерения переменного напряжения тестер является вольтметром. Его показания верны до 2 — 5 кГц, выше может быть существенная погрешность. Сверьтесь с паспортом тестера. Кроме того, не все модели тестеров позволяют измерять с хорошей точностью сигналы величиной десятки милливольт. В этом случае можно установить на клеммах усилителя выходной сигнал не 1, а 10 В. В режиме наших измерений усилитель нагружен на сопротивление более 100 Ом. Такая высокоомная нагрузка позволяет развить 10 В действующего напряжения даже большинству маломощных усилителей, причём без перегрева.

К сожалению, при 10 В на выходе есть опасность сжечь резистор цепи, обеспечивающей устойчивость, который присутствует в схемах многих усилителей. Поэтому не стоит проводить измерения на частотах выше 3 кГц.

Понятно, что в режиме «10 вольт» на пробном резисторе R2 надо установить не 40 мВ, а 400 мВ. Соответственно, шкала напряжения будет проградуирована от 125 мВ до 6000 мВ (6 В). При этом показания вольтметра делим на 100 и получаем величину импеданса АС. Например, 400 мВ соответствует 4 Ом.

(Продолжение в следующем номере)

---

ПрактикаAV #3/2002

FAQ по динамикам и сабвуферам

В связи с множественными вопросами, как рассчитать корпуса для динамиков я выкладываю несколько статей, связанных с расчетом акустического оформления для сабвуферов. Не забываем, что акустическое оформление важно для НЧ динамиков. И так начинаем….

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 World , АМ и (немного) личного опыта . Не 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 «Товарищ, 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.

• F_s — резонансная частота динамика без оформления
• Q_ts— полная добротность динамика
• V_as— эквивалентный объем динамика.

[Q] Как измерить T/S параметры?

[A] Читаем статью «Измерение параметров Тиля-Смолла в домашних условиях»

[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.

• Q_ts > 1,2 это головки для открытых ящиков, оптимально 2,4
• Q_ts < 0.8-1.0 — головки для закрытых ящиков, оптимально 0,7
• Q_ts<0.6 — для фазоинверторов, оптимум — 0,39
• Q_ts<0.4 — для рупоров

Правильнее будет сортировать головки не по добротности, а по величине F_s/Q_ts. Приведу по памяти, неохота формулы просчитывать.

• F_s/Q_ts > 30 (?) экран и открытый корпус
• F_s/Q_ts > 50 закрытый корпус
• F_s/Q_ts > 85 фазоинверторы
• F_s/Q_ts >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. Hедостатки: 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 расчитать 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

F_с=F_s*SQRT(1+V_as/V)

,а приближенная формула, связывающая резонансные частоты и добротности головки в корпусе (индекс «с») и в открытом пространстве (индекс «s») F_c/Q_tc=F_s/Q_ts

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.

Hаиболее гладкой частотная характеристика получается, если ее можно аппроксимировать полиномом Баттерворта. Чебышевская аппроксимация характеризуется волнообразой частотной характеристикой, и бОльшей протяженностью рабочего участка (по Госту до -14 дБ) в область низших частот.

[Q] Какой вид аппроксимации выбрать для фазоинвертора?

[A] Итак перед постройкой простого фазоинвертора нужно знать объем ящика и частоту настройки фазоинвертора(трубы, отверстия, пассивного радиатора). Если в качестве критерия выбрать наиболее гладкую АЧХ( а это не единственно возможный критерий), то получится следующая табличка

А) Qts < 0,3 — наиболее гладкой будет кривая квазитретьего порядка. Фазоинвертор настраивается на 40-80% выше частоты резонанса.

Б) Qts = 0,4— лучше описывается баттервортовскими кривыми. Фазоинвертор настраивается на частоту резонанса.

В) Qts> 0,5 — придется допустить волны на АЧХ, по Чебышеву. Фазоинвертор настраивается 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 программу типа WinspeakerZ  и расчитать 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. Hапротив , 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.