Добротность

От чего может зависеть показатель

Считается, что наилучшим качеством отличаются современные динамики, имеющие общий показатель добротности (потери электрические и механические), равный примерно 0,7 или ниже. Однако такое значение должно характеризовать динамик с учетом, помимо всего прочего, и его акустического оформления. При этом следует иметь в виду, что последнее всегда чистый показатель добротности устройства поднимает.

К примеру, достаточно часто акустическое оформление динамика представляет собой закрытый ящик. В данном случае к упругости пружины добавляется упругость воздуха в закрытом пространстве. То есть запасов энергии в динамике, оформленном подобным образом, будет больше. Увеличиваться показатель добротности будет и при использовании фазоинвертора, рупора и пр.

Таким образом, акустическое оформление при подборе динамика учитывать нужно всегда. Чистая добротность приобретаемого устройства должна в любом случае быть равна или ниже 0,7. Это позволит создать акустическую систему с качественным звучанием.

Считается, к примеру, что добротность динамика для закрытого ящика должна быть равна примерно 0,5-0,6. При использовании в качестве оформления фазоинвертора оптимальным чистым показателем добротности устройства будет 0,3-0,5. Рупору при этом требуются еще более низкие показатели, поскольку он способен нагружать динамики очень сильно.

Как найти резонанс параллельного колебательного контура на практике

Ладно, ближе к делу. Берем паяльник в руки и спаиваем катушку и конденсатор параллельно. Катушка на 22 мкГн, а конденсатор на 1000пФ.

Итак, реальная схема этого контура будет вот такая:

Для того, чтобы все показать наглядно и понятно, давайте добавим к контуру последовательно резистор на 1 КОм и соберем вот такую схему:

На генераторе мы будет менять частоту, а с клемм X1 и X2 мы будем снимать напряжение и смотреть его на осциллографе.

Нетрудно догадаться, что у нас сопротивление параллельного колебательного контура будет зависеть от частоты генератора, так как в этом колебательном контуре мы видим два радиоэлемента, чьи реактивные сопротивления напрямую зависит от частоты, поэтому заменим колебательный контур эквивалентным сопротивлением контура R_кон.

Упрощенная схема будет выглядеть вот так:

Интересно, на что похожа эта схема? Не на делитель ли напряжения? Именно! Итак, вспоминаем правило делителя напряжения: на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение, на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение. Какой вывод можно сделать применительно к нашему колебательному контуру? Да все просто: на резонансной частоте сопротивление R_кон будет максимальным, вследствие чего у нас на этом сопротивлении “упадет” бОльшее напряжение.

Начинаем наш опыт. Поднимаем частоту на генераторе, начиная с самых маленьких частот.

200 Герц.

Как вы видите, на колебательном контуре “падает” малое напряжение, значит, по правилу делителя напряжения, можно сказать, что сейчас у контура малое сопротивление R_кон

Добавляем частоту. 11,4 Килогерца

Как вы видите, напряжение на контуре поднялось. Это значит, что  сопротивление  колебательного контура увеличилось.

Добавляем еще частоту. 50 Килогерц

Заметьте, напряжение на контуре повысилось еще больше. Значит его сопротивление еще больше увеличилось.

723 Килогерца

Обратите внимание на цену деления одного квадратика по вертикали, по сравнению с прошлым опытом. Там было 20мВ на один квадратик, а сейчас уже 500 мВ на один квадратик

Напряжение выросло, так как сопротивление колебательного контура стало еще больше.

И вот я поймал такую частоту, на которой получилось максимальное напряжение на колебательном контуре

Обратите внимание на цену деления по вертикали. Она равняется двум Вольтам

Дальнейшее увеличение частоты приводит к тому, что напряжение начинает падать:

Снова добавляем частоту и видим, что напряжение стало еще меньше:

Показатель Vas

Этот параметр для динамиков может измеряться по двум методикам:

• добавочной массы;

• добавочного объема.

В первом случае измерения делают с использованием каких-либо грузиков (10 грамм на каждый дюйм диаметра диффузора). Это могут быть, к примеру, гирьки от аптечных весов или старые монеты, номинал которых соответствует их весу. Такими предметами нагружают диффузор и измеряются его частоту. Далее производят необходимые расчеты по формулам.

При использовании метода добавочного объема звукоизлучатель герметично закрепляют в специальном измерительном ящике магнитом наружу. Далее измеряют резонансную частоту и вычисляют электрическую и механическую добротность динамика, а также полную. Затем с учетом полученных данных по формуле определяют Vas.

Вам будет интересно:Звездочет — это ученый, который изучает астрономию

Считается, что чем меньше Vas при прочих равных величинах, тем более компактное оформление можно использовать для динамика. Обычно небольшие значения этого параметра при той же резонансной частоте являются результатом сочетания тяжелой подвижной системы и жесткого подвеса.

Потери энергии динамиком

Устройства этого типа предназначены в первую очередь для излучения звука, воспринимаемого человеческим ухом. Передача таких колебаний в окружающую среду и является потерями энергии динамика. Однако КПД у современных динамиков обычно очень низкий. Поэтому на долю передачи звука приходится лишь небольшая часть расхода устройством энергии. Обычно таким путем происходит меньше 1 % всех потерь.

Расход на звуковые колебания в динамике является самым важным показателем. Ведь именно для передачи звука такие устройства и конструируются, и производятся. Но все же гораздо больше потерь в таком оборудовании является чисто механическими. Очень много энергии в таких устройствах тратится на трение:

• Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА
  Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.

  в подвесах;

• в магнитном зазоре;

• об воздух и пр.

Самый же большой расход энергии в динамиках происходит в их моторе. Работают современные устройства этого типа по принципу небольших генераторов, создающих довольно-таки большое сопротивление.

Виды акустического оформления

Наиболее популярными типами коробов для динамиков на данный момент являются закрытые ящики и фазоинверторы. Первый вид оформления при этом считается самым простым. Конструктивно закрытый ящик представляет собой короб из 6 стенок. К плюсам такого оформления специалисты относят в первую очередь компактность, простоту сборки, хорошие импульсивные характеристики, быстрый и четкий бас. Недостатком закрытых ящиков при этом считается невысокий уровень КПД. Для создания высокого звукового давления такое оформление не подходит. Закрытые короба обычно используются для прослушивания джазовых композиций, рока, клубной музыки.

Фазоинверторы являются достаточно сложным типом оформления. Изготавливаются они обычно из пластика. При этом фазоинверторы имеют высокий КПД и к тому же позволяют динамику быстро охлаждаться. Также такое оформление при необходимости можно легко перенастроить.

Иногда для динамиков может использоваться и открытое акустическое оформление. В данном случае задняя стенка звукоизлучающей поверхности диффузора не отделяется от передней. Чаще всего открытый ящик представляет собой короб, у которого отсутствует задняя стенка (или в ней имеется множество отверстий).

Рупорное оформление для головок чаще всего используется в комплексе с другими типами. Однако в некоторых случаях подобные конструкции могут быть и оригинальными на 100%. Применяются такие системы, к примеру, для ШП-динамиков с низкой добротностью. Акустическое оформление этого типа имеет достаточно много преимуществ. Основным его плюсом является высокая громкость. К недостаткам такого оформления при этом относят невозможность получения равномерной АЧХ, низкую объемность звучания и пр.

[Q] Как расчитать закрытый ящик?

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.

Более подробнее и калькулятор можно найти в статье «Расчет закрытого ящика».

Что за характеристика

Итак, добротность динамика — что это за показатель? Ориентируясь на эту характеристику, можно в первую очередь определить, как затухают колебательные движения звукоизлучателей. Считается, что слишком большим этот показатель у головок быть не должен.

Вам будет интересно:Дискурсивный анализ: понятие и роль в современной лингвистике

Если значение добротности у динамика высокое и равно, к примеру, 2 или 3, значит, колебания в нем будут продолжаться даже уже после того, как исчезнет вызвавшая их сила. Это, конечно же, приведет к снижению качества звука. В динамике начнут возникать раздражающие слух шумовые эффекты.

При низкой добротности (меньше 1) колебания в устройстве затухают очень быстро. То есть мембрана в динамике после резкого воздействия практически сразу приходит в стабильное состояние. В результате устройство выдает более чистый и приятный для слуха звук. Соответственно, о том, как повысить добротность динамика, специалисты задумываются редко. В основном при конструировании акустических систем мастера стараются сделать этот показатель более низким.

7.5. Добротность. Влияние добротности на резонансные кривые последовательного контура r ,l, с

Напомним,
что в данном случае будем рассматривать
определение добротности контура при
изменении частоты источника питания.

При
резонансе
.

Добротность
контура определяет кратность превышения
напряжения на зажимах индуктивного или
емкостного элемента сопротивления при
резонансе над напряжением всей цепи U
= U_R.

В
электротехнических и радиотехнических
установках добротности могут быть
любого порядка, вплоть до десятков
тысяч. При больших добротностях (50–500)
U_L
>> U_R,
U_R
= U_ВХ
= U,
т. е. напряжение на индуктивности (или
на емкости) во много раз больше приложенного
напряжения.

Выясним
влияние добротности на резонансные
кривые при последовательном соединении

R,
L, С. Ток
в цепи равен

Относительное
значение тока:
,
т.е..

Пои
выводе этой формулы учитывалось, что
.

Иногда
вводят понятие относительной частоты
.

Тогда
предыдущая формула запишется так

Построим
резонансные кривые в относительных (по
току) единицах (рис. 7.8) для трех
добротностей. Рассматривая три резонансные
кривые, видим, что чем больше добротность,
тем острее получается резонансная
кривая. Полоса пропускания контура
определяется разностью частот, которые
получатся при пересечении резонансной
кривой горизонтальной линией на уровне

Из
рис. 7.8 видно, что чем меньше добротность,
тем шире полоса пропускания. В
радиоприемниках колебательные контуры
имеют большие добротности (500–1000),
поэтому эти контуры обладают достаточно
узкими полосами пропускания, что
способствует избирательному радиоприему
только одной станции.

7.6. Определение добротности по резонансной кривой

На
практике резонансные частотные
характеристики реальных контуров можно
получать, изменяя частоту генератора
в определенных пределах и снимая
показания вольтаметра, подключенного
параллельно резистору (см. рис. 7.9 а).
Строят экспериментальную резонансную
кривую и по этой кривой определяют
полосу пропускания. Выведем соответствующую
формулу для расчета добротности по
резонансной кривой, снятой экспериментально.

Из
рис. 7.9 б
следует:

.

В
этом равенстве знаменатели равны,
поэтому

Отсюда
.

Запишем
дважды: при
итакие выражения;.

После
сложения последних выражений получим

или

Отсюда

И
далее
.

Очень
важно: добротность обратно пропорциональна. Для
последовательного контура R,
L,
С
построена резонансная кривая тока при
изменении

Для
последовательного контура R,
L,
С
построена резонансная кривая тока при
изменении

емкости
С
(рис. 7.10).

Пользуясь
этой кривой, определим добротность
контура. Выражение для тока

Выполним
ряд преобразований последней формулы

.

Проведем
горизонтальную прямую на уровне
.

Отметим
значения емкости C₁
и С₂.

Далее
сделаем ряд очевидных выкладок. Выразим
добротность Q
через значения

емкости
С₁
и С₂.
Запишем

Найдем
сумму и разность емкостей

Запишем
отношение
.

Напомним,
что добротность контура определяется
превышением напряжения на индуктивном
(или емкостном) сопротивлении при
резонансе над напряжением всей цепи
(или напряжением на активном сопротивлении),
т. е.

Таким
образом,

Кроме
этого результата, представляется
возможным получить значения параметров
катушки индуктивности (L
и
R)

.

Откуда
;.

Откуда
.

Величина
емкости С,
при которой наступает резонанс,
определится так:

;
;;.

Откуда
.

Резонанс
напряжений может наблюдаться в схеме,
показанной на рис.
7.11.

Входное
сопротивление такой схемы

При
резонансе реактивная составляющая
входного сопротивления должна быть
равна нулю, т. е.

Теория и практика

На что влияет добротность динамика, таким образом, понятно. Как мы выяснили, при использовании акустического оформления этот показатель должен быть достаточно низким. Именно таким образом дело обстоит в теории. Однако на практике низкодобротные динамики встречаются, к сожалению, довольно-таки редко. Даже, к примеру, при использовании фазоинвертора, требующего, как мы выяснили, показателя в 0,5-0,6, часто применяются головки с показателем выше единицы.

У любого звукоизлучающего устройства имеется своя собственная резонансная частота. И именно через нее мембраны после резких сигналов приходят в равновесное состояние. Во многих случаях при высокой добротности динамик будет даже не продлевать или доигрывать какие-либо ноты. При прекращении внешнего воздействия он просто-напросто начнет неприятно гудеть. Именно таким образом ведут себя на определенной частоте, к примеру, дешевые компьютерные колонки.

При всем при этом дорогие динамики с большой добротностью выдают чаще всего достаточно качественный звук. Дело здесь заключается прежде всего в том, что такие устройства обычно имеют еще и довольно-таки низкую резонансную частоту. При таком условии шумы воспринимаются не особенно хорошо натренированным в плане акустики человеческим ухом не как досадные «помехи», а просто, как очень мощный звук. В особенности незаметной подобная «грязь» становится при прослушивании простой музыки, к примеру, современной попсы. То есть гул в данном случае проходит по «правильной» частоте.

Как измерить добротность: формулы

В домашних условиях этот параметр динамиков часто рассчитывается с использованием простого милливольтметра переменного тока. Также для этой процедуры подготавливают плату и резистор 1000 Ом, стабилизирующий ток через динамик. Кроме того, при использовании такой методики понадобится программный генератор от компьютера и усилитель мощности (для подачи сигнала на динамик). Производят процедуру измерения добротности с применением такого оборудования следующим образом:

• динамик подвешивают в свободном состоянии, к примеру, на какой-нибудь веревке;

• собирают схему.

Перед сборкой схемы строят график, где по оси y откладывают напряжение в милливольтах (100, 200, 300). На х при этом указывают частоту (10, 20, 30…140 и т. д). Далее собирают схему, где сигнал с усилителя подается на резистор, а затем идет на динамик.

На следующем этапе:

• включают милливольтметр в схему в точках а и с и устанавливают напряжение 10-20 В на частоте 500-1000 герц;

• подключают вольтметр к точкам в и с, путем регулировки генератора находят частоту, где значения вольтах максимальны (Fs);

• изменяют частоту вверх по отношению к Fs и находят точки, в которых показания вольтметра значительно меньше Fs и постоянны (Um).

Измеряя напряжение при определенной частоте динамика, строят соответствующий график. На следующем этапе находят среднее значение между минимальным напряжением и максимальным. При этом используют формулу U1/2=√Umax*Umin. Полученное значение в виде горизонтальной линии переносят на график и находят точки пересечения с линиями отношения F1 и F2 (с соответствующими показателями частоты).

Далее находят акустическую добротность по формуле Qa=√Umax/Umin * Fs/F2-F1, где Fs — значение частоты при максимальных показаниях милливольтметра. Затем можно найти электрическую добротность:

Qes=Qa*Umin/(Umax-Umin).

После этого вычисляют полную добротность динамика:

Qts=Qa*Qes/(Qa+Qes).

На следующем этапе строят график для второго динамика и производят такие же вычисления.