29.03.21

[Домашняя]

В PA 9/2008, с.10-15 мы рассказали о параметрах Тиля-Смолла. Как на их основе рассчитать АС? Если речь идет о сабвуфере, работающим исключительно в области низких частот, вблизи собственного резонанса, на этот вопрос есть ответ, в достаточной степени тривиальный: подставляем в программу для расчета сабвуферов три магические карты Тиля-Смолла, а уж она нам все расскажет, куда ставить да как сыграет. А ведь параметры Тиля-Смолла не с неба свалились. Они собраны из других деталей, которыми раньше инженеры-акустики пользовались в исходном, разобранном состоянии.

Сборка и разборка

Параметры бывают конструктивные и неконструктивные. Это не достоинство или недостаток, это свойство.

Первые - это такие, по которым есть точный рецепт, как их добиться.

Вторые - это те, которые получаются в результате совместной работы первых. Очень часто в технике оказывается, что конструктивные пара­метры абсолютно необходимы при изготовлении устройства, но страшно неудобны, когда надо оценить результаты работы готового продукта. Динамик по своей схеме - устройство предельно примитивное. По схеме, а не по тонкостям взаимодействия с окружающей средой и челове­ческим слухом. Это всего лишь масса (диффузор), подвешенная на пружине (подвес), к массе прикреплен мотор, состоящий из звуковой катушки и постоянного магнита. Параметры динамика, определяющие его работу на низких частотах, - это Fs, Vas и Qts. Т.е. это диффузор с определенными размерами и массой, детали подвеса с определенной упругостью, катушка с известным сопротивлением и магнит с определенной силой. Это его электроакустические параметры.

Разберем

Разберем динамик на те немногие части, из которых он состоит и про которые, по отдельности, можно все довольно легко узнать.

Первое - узнаем гибкость подвеса. Это несложно: положить на диффузор груз и измерить, насколько он под весом этого груза просел. Потом поделить просадку на массу груза и получить то, что называется гибкостью подвеса (Cms, измеряется в мм/Ньютон). Отделяем диффузор вместе со звуковой катушкой, замеряем диаметр диффузора и определяем его площадь, а затем весами - его массу. У звуковой катушки мы измерим длину провода, у магнита измерим индукцию в зазоре прибором тесламетр и определим силовой фактор динамика BL, равный индукции (мощность магнита, грубо говоря) умноженной на длину провода. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна В х I х L, т.е. достаточно силовой фактор помножить на ток, как фактор превращается в реальную силу. В числе базовых параметров Тиля-Смолла силового фактора нет, а величина эта архиважная. Четыре конструктивных, производственных характеристики динамика, из которых получаются потом параметры Тиля-Смолла, показаны на рис.1.

Зная это, попробуем без формул, на качественном уровне понять, какими окажутся параметры динамика, необходимые нам для расчета и моделирования его работы.

Первая пара

Главный параметр динамика - резонансная частота Fs. Главный, потому что ниже резонансной частоты интенсивность звукового излучения динамика быстро снижается. Резонансная частота зависит только от массы подвижной системы и гибкости подвеса. Чем больше масса и чем мягче подвес (больше величина просадки при одном и том же усилии, приложенном к диффузору), тем резонансная частота ниже. Стрелки на рис.2 показывают, как будет меняться параметр при росте этих двух конструктивных величин.

Диффузор должен быть все-таки достаточно прочным, значит, масса у него какая-то есть.

Теперь сделаем мягкий-мягкий подвес (большую- большую величину Cms), и у нас будет резонансная частота, какую захотим, хоть 15 Гц. Но не все так просто.

Вторая пара

Эквивалентный объем Vas зависит только и исключительно от площади диффузора (чем больше Sd, тем больше Vas) и гибкости подвеса (чем мягче подвес, т.е. больше Cms, тем снова больше). Это единственный параметр из тройки Тиля - Смолла, который можно оценить «голыми руками». Во всяком случае, в сравнении двух динамиков одинакового калибра. Эквивалентный объем будет меньше у того из двух, у кого сильнее сопротивляется диффузор при нажатии на него. Поскольку площадь диффузора одна и та же, а кроме нее и упругости подвеса Vas не зависит ни от чего, что в нашей власти. Площадь диффузора и жесткость его подвеса - вот все, что определяет величину Vas (рис.3).

А теперь смотрите, что получилось. Гибкость совсем недавно вы сами выбрали очень высокую. Эквивалентный объем получился огромный, а он определяет величину необходимого объема акустического оформления любого типа.

Что будем делать? Может быть, раз Vas от массы не зависит, то мы сделаем диффузор тяжелее, а подвес - жестче, итог для резонансной частоты будет тот же самый, одно скомпенсирует другое. А эквивалентный объем уменьшится, он зависит только от гибкости. Итак, делаем тяжелый диффузор, жесткий подвес, получаем (при той же Fs) маленький эквивалентный объем. Но на деле все будет не так хорошо. Динамик-то ведь должен реально играть, а значит, у него должен быть пристойный КПД, более привычно измеряемый в акустике в форме чув­ствительности. Чувствительность, т.е. звуковое давление, создаваемое динамиком при подаче одной и той же мощности (обычно измеряется при 4 Вт) на одном и том же расстоянии от диффузора (обычно 1 м), зависит уже не от двух, а от трех величин, снятых нами с деталей загубленного во имя просвещения динамика. От площади диффузора, от возможностей мотора и от массы подвижной системы. Будем считать, что диаметр мы выбрали и не меняем, хотя чем он больше, тем больше будет чувствительность при прочих равных условиях. И мотор, т.е. магнитная система, и звуковая катушка у нас одни и те же. Тогда чем больше мы утяжелили диффузор, тем меньше будет чувствительность динамика. Речь при этом идет о так называемой опорной чувствительности, измеряемой вдали от резонансной частоты, там где свойства акустического оформления уже ни на что не влияют. Однако именно от опорной чувствительности будет зависеть эффективность мидбасового динамика во всей его рабочей полосе напрямую, а сабвуфера - косвенно, но тоже очень сильно. Получается: выиграли объем, утеряли чувствительность (рис.4).

Не пара

Итак, ужесточим подвеску - резонанс вверх уплывет, смягчим - объем потребуется большой, утяжелим диффузор - вернем резонанс и Vas, но в чутье утратим, тогда облегчим диффузор - резонанс уплывет. И так до бесконечности. Единого решения нет, оттого и разными получаются саб­вуферы. Из трех параметров Тиля-Смолла самый, пожалуй, капризный - это добротность. На величину добротности готового динамика влияют его все без исключения, составляющие, кроме корзины и клемм (рис.5)

Логика влияния такова: поскольку, добротность есть отношение всего, что похоже на маятник, ко всему, что похоже на тормоз, в игре участвует все. Масса диффузора - это маятник, жесткость подвеса - тоже. А мотор, как мы знаем, вблизи резонанса становится тормозом и занимает место в знаменателе пропорции. Есть еще фактор механической добротности, за которую ответственны потери в элементах подвеса. Но вклад механической добротности в полную у современных низкочастотных головок невелик, поэтому в основном свою роль играет фактор электрического торможения. Значит, чем больше масса подвижной системы, тем выше добротность, чем жестче подвес, тем ниже мощность магнитной системы. Здесь уже навскидку ничего оценить не удастся. Приходилось видеть головки с худосочным магнитом, имеющие такую же величину добротности, что и такие же по калибру, но с огромным магнитом. Но достаточно было пошевелить «невооруженной рукой» диффузор одного и другого, как становилось ясно, в чем секрет: диффузор первого динамика чутко реагировал даже на слабое нажатие, а у второго стоял как вкопанный, пока на него не надавишь, как следует. Значит, если частоты резонанса у обоих близки, можно с уверенностью заявить, что одинаковые частотные характеристики у обоих можно получить в совершенно разных объемах. У мягкого и с маленьким магнитом в большом, у второго, у которого все наоборот в маленьком. Почти наверняка у второго будет ниже чувствительность, несмотря на могучий мотор, и наверняка второй будет дороже первого. Поэтому, если сделать более жесткой подвеску, Vas упадет, но повысится резонансная частота (рис.6).

К тому же мощность привода ведь зависит не только от магнита, но и от того, сколько провода находится в зазоре. Магнит стоит денег, так давайте просто намотаем больше витков, эффект такой же, ведь индукция и длина провода в выражении для силового фактора перемножаются. Но больше витков означает более тонкий провод, у звуковой катушки возрастет сопротивление, ток, проходящий через катушку, уменьшится. Тогда возьмем провод толще, а катушку намотаем в два-три-четыре слоя. Тогда придется делать больше ширину зазора в магнитной системе, а значит, при том же магните значение индукции в зазоре снизится. Итак, если сделать более мощным привод диффузора (рис.7), возрастет чув­ствительность и снизится добротность.

Увеличим не число витков, а диаметр катушки (чтобы больше была длина каждого витка) - тот же результат: магнитное поле окажется «разма­занным» по более протяженному зазору и потеряет силу, выраженную в величине индукции. Чтобы удержать Fs и Qts на требуемых значени­ях, но снизить требования к объему, приходится одновременно утяжелять диффузор, делать более жестким подвес и форсировать привод, как это показано на рис.8.

Но чувствительность таких головок оказывается невысокой. Идеальной акустикой будет такая, которая будет давать МНОГО баса, НИЗКОГО баса и в МАЛЕНЬКОМ ящике. Проблема как раз в том, что ни одна из этих характеристик не может быть качественно улучшена без ухудшения одной или остальных. Возьмем какую-нибудь акустику с определенным балансом достоинств и попробуем что-нибудь в ней улучшить. Например, резко повысить чувствительность, а остальное пусть останется таким же. Получится акустика профессионального назначения, для озвучивания залов. С рекордными значениями чувствительности, но без глубоких басов и/или требующая огромных корпусов. Вернем на место глубокий бас и убедимся, что чувствительность снизилась, объем по-прежнему требуется немалый. К примеру, часто в домашней акустике напольные и полочные колонки одной серии различаются, главным образом, нижней граничной частотой и объемом, разумеется. Боремся за компактность, не поступаясь глубокими басами, чувствительность проваливается иногда самым катастрофическим образом.

Радиоаматор №2 2009г стр. 16