Параметры тиля-смолла

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.

Ответы знатоков

Алексей Полубоярцев:

в статье на genealogic.narod /audio/dynamic написано:

Для определения резонансной частоты динамика его нужно подключить к выходу звуковой карты вашего компьютера (или стационар­ного усилителя мощности), положить магни­том на горизонтальную поверхность малой площади (например, кухонный табурет), диффузором кверху и включить генератор звуковых частот (при этом регуляторы тембра на усилителе должны стоять в среднем положении или отключены, т. е. его АЧХ должна быть прямолинейна (горизонтальна).

Для удобства наблюдений, если на диффузоре динамика нет никаких фабричных надписей и пометок, в центре диффу­зора можно поставить контрастную метку или маркё­ром, или наклеив небольшой кусочек бумаги (от стикера). По мере снижения звуковой частоты (кнопками «-100», «-10» и «-1») вы увидите, что диффузор на разных частотах будет колебаться с разной амплитудой, немного отличающейся по величине. Но наибольшая ампли­туда раскачивания произойдет на какой-то более низкой частоте (например 31 гц), которая и является резонансной для данного динамика. Для большего удобства и точности измерений можно использовать вольтметр переменного тока (стрелочный в данном случае удобнее цифрового), подключив его по схеме. На нижней резонансной частоте показания вольтметра (и колебания диффузора) будут максимальными.

Эмиль Руденко:

подать синус и менять частоту пока в резонанс не войдёт

Компенсатор_Х:

Последовательно с динамиком включить резистор 4 Ома и подавать на динамик частоту от 3 Гц до 30 кГц, наблюдая за падением на сопротивлении.

Анатолий Фролов:

по гугли—генератор на на таком то динамике

Вольный ветер:

Вытащить на воздух, положить на стол, и подключить к генератору свободных колебаний, который можно собрать из дух транзисторов, динамик в ящике или на доске с дыркой будет иметь резонанс отличный от отдельно стоящего….

Владимир Карпачёв:

Руководствуетесь «лишь мультиметром, способным измерять напряжение от от 0,1 Вольта». Замечательно! А какова погрешность вашего мультиметра в заданном диапазоне частот?…»…нужно добиться показателя 0,1 В при 500-1000 Герцах. Сигнал, видимо, слишком слабый и потому вольтметр показывает только нули». А ваш мультиметр вообще-то способен реагировать на напряжение данной частоты???

олег чернокнижников:

А зачем вам, собственно, измерять точно и самому рез. частоту динамика? Главное в АС это настроить саму АС

Нина Тютина:

Занятно, тоже не понимаю этого метода. резистор на 1кОм?!! Это все равно, что взвешивать цыпленка на автомобильных весах. Элементарная логика говорит, что для корректных измерений сопротивление динамика и сопротивление вспомогательного резистора должно быть одного порядка. Попробуйте вместо 1 килоома меньший номинал 5-50ом. т. к. ток одинаковый — то пользуем закон Ома Ur/Rr=Ud/Rd, r — резистор, d-динамик (мерим напряжение и на резисторе и на динамике). Сопротивление динамика находим из соотношения и строим кривую от частоты как в методе. А TQWP вещь неплохая — нет такого бубнежа как у фазоинвертора, скорее некоторый гул. Так что на любителя. Но мне нравится.

Дарья Каримова:

Ещё можете вот тут статью почитать s meanders /samodelnyj-lampovyj-usilitel-na-ecl86-em84.shtmlТам много чего по этому вопросу полезного .

Какие еще параметры могут измеряться

Что это такое — добротность динамиков, мы выяснили. Определяют этот показатель обычно при выборе наиболее подходящее оформления, конструируя акустические системы. Однако для того, чтобы динамики в последующем передавали наиболее качественный звук, расчеты в данном случае должны производиться и по некоторым другим показателям.

При выборе акустического оформления всегда учитываются так называемые параметры Тиля-Смолла. Одной из таких характеристик является именно добротность, обозначаемая, как мы выяснили, Qts

Также при подборе акустического оформления принимаются во внимание такие показатели ТС как:

• резонансная частота Fs;

• упругость подвеса динамика Vas.

Помимо трех основных характеристик, при расчете оформления акустических систем специалисты могут использовать и такие параметры как:

• площадь диффузора и его диаметр;

• индуктивность;

• чувствительность;

• импеданс;

• пиковая мощность;

• масса подвижной системы;

• двигательная мощность;

• механическое сопротивление;

• относительная жесткость и пр.

Считается, что большинство из этих характеристик может быть легко определено в домашних условиях с помощью не особенно сложных измерительных приборов.

Резонанс напряжений

Давайте возьмем другие параметры катушки и конденсатора и посмотрим, что у нас происходит на самих радиоэлементах. Нам ведь надо досконально все выяснить ;-). Беру катушку индуктивности с индуктивностью в 22 микрогенри:

и конденсатор в 1000 пФ

Из них собираю последовательный колебательный контур. Итак, чтобы поймать резонанс, я не буду в схему добавлять резистор. Поступлю более хитрее.

Так как мой генератор частоты китайский и маломощный, то при резонансе у нас в цепи остается только активное сопротивление потерь R. В сумме получается все равно маленькое значение сопротивления, поэтому ток при резонансе достигает максимальных значений. В результате этого, на внутреннем сопротивлении генератора частоты падает приличное напряжение и выдаваемая амплитуда частоты генератора  падает. Я буду ловить минимальное значение этой амплитуды. Следовательно это и будет резонанс колебательного контура. Перегружать генератор – это не есть хорошо, но что не сделаешь ради науки!

Ну что же, приступим ;-). Давайте сначала посчитаем  резонансную частоту по формуле Томсона. Для этого я открываю онлайн калькулятор на просторах интернета и быстренько высчитываю эту частоту. У меня получилось 1,073 Мегагерц.

Ловлю резонанс на генераторе частоты по его минимальным значениям амплитуды. Получилось как-то вот так:

Размах амплитуды 4 Вольта

Хотя на генераторе частоты  размах  более 17 Вольт! Вот так вот сильно просело напряжение. И как видите, резонансная частота получилась чуток другая, чем расчетная: 1,109 Мегагерц.

Теперь небольшой прикол ;-)

Вот этот сигнал мы подаем на наш последовательный колебательный контур:

Как видите, мой генератор не в силах выдать большую силу тока в колебательный контур на резонансной частоте, поэтому сигнал получился даже чуть искаженным на пиках.

Ну а теперь самое интересное. Давайте замеряем падение напряжения на конденсаторе и катушке на резонансной частоте. То есть это будет выглядеть вот так:

Смотрим напряжение на конденсаторе:

Размах амплитуды 20 Вольт (5х4)! Откуда? Ведь подавали мы на колебательный контур синус с частотой в 2 Вольта!

Ладно, может с осциллографом что-то произошло?. Давайте замеряем напряжение на катушке:

Народ! Халява!!! Подали 2 Вольта с генератора, а получили 20 Вольт и на катушке и на конденсаторе! Выигрыш энергии в 10 раз! Успевай только снимать энергию с конденсатора или с катушки!

Ну ладно раз такое дело… беру лампочку от мопеда на 12 Вольт и цепляю ее к конденсатору или катушке. Лампочке ведь вроде как по-барабану на какой частоте работать и какой ток кушать. Выставляю амплитуду, чтобы на катушке или конденсаторе было где то Вольт 20 так как среднеквадратичное напряжение будет где-то Вольт 14,  и цепляю поочередно к ним лампочку:

Как видите – полный ноль. Лампочка гореть не собирается, так что побрейтесь фанаты халявной энергии). Вы ведь не забыли, что мощность определяется произведением силы тока на напряжение? Напряжения вроде как-бы хватает, а вот силы тока – увы! Поэтому, последовательный колебательный контур носит также название узкополосного (резонансного) усилителя напряжения, а не мощности!

Объяснение резонанса напряжения

При резонансе напряжение на катушке и на конденсаторе оказались намного больше, чем то, которое мы подавали на колебательный контур. В данном случае у нас получилось в 10 раз больше. Почему же напряжение на катушке при резонансе равняется напряжению на конденсаторе. Это легко объясняется. Так как в последовательном колебательном контуре катушка и кондер идут друг за другом, следовательно, в цепи протекает одна и та же сила тока.

При резонансе реактивное сопротивление катушки равняется реактивному сопротивлению конденсатора. Получаем по правилу шунта, что на катушке у нас падает напряжение U_L = IX_L , а на конденсаторе U_C = IX_C . А так как при резонансе у нас X_L = X_C , то получаем что U_L = U_C , ток ведь в цепи один и тот же ;-). Поэтому резонанс в последовательном колебательном контуре называют также резонансом напряжений, так как напряжение на катушке на резонансной частоте равняется напряжению на конденсаторе.

Три главных параметра

Оценив эти параметры, мы сможем определить, для какого оформления лучше подходит сабвуферный динамик. И как он будет играть, жестко или мягко, высокий или низкий бас.

FS — резонансная частота

Частота собственного резонанса. Замеряется она следующим образом. Динамик подвешивается в открытом пространстве, как можно дальше от различных предметов. Это делается для того, чтобы его резонанс зависел только от него самого. Низкой принято считать резонансную частоту в районе 20 Герц, а высокой – в районе 40 Герц. Данный параметр пригодится нам для расчета короба и выбора динамика.

QTS —  полная добротность

Упругость подвижной системы динамика на чистоте резонанса. Если по простому она демонстрирует затухание колебаний динамика. Чем выше этот показатель, тем слабее затухают колебания. Добротность напрямую связана с необходимым типом акустического оформления. Принято считать, что устройства с добротностью 0,3 — 0,35 – это низкодобротные сабвуферы. А высокодобротные – от 0,7 до 0,8. Зная этот параметр, можно определить для какого типа оформления лучше подходит динамик. Если динамик имеет добротность больше 1. Это free air, предназначение которого – установка в полку, открытый объём.  Для закрытого ящика подходят динамики с добротностью  0,5 – 0,6. Для фазоинвертора – 0,3 – 0,5. Рупор – менее 0,3.

 VAS — эквивалентный объём

Это возбуждаемый головкой сабвуфера закрытый объём воздуха, имеющий гибкость равную гибкости подвижной системы сабвуфера. Проще говоря, чем мягче подвижная система Саба, тем сильнее он будет сжимать воздух внутри корпуса. Кроме того, этот показатель влияет на размер диффузора. Соответственно, чем больше у нас динамик, тем он сильнее будет сжимать объём. Следовательно, и отдача у этого сабвуфера будет больше.  Обратная сторона медали – чем больше диффузор, тем больший объём короба потребуется.

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)

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.

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.

[hide][top]Измерения эквивалентного объема Vas

Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: 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.

Определение эквивалентного объема методом добавочной массы

Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками 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 грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12″ головки нужен груз массой около 120 граммов (1 дюйм равен 2,54 см). Я советую всё же использовать не монеты, ибо к примеру на 100грамм понадобится аж 20штук 5-копеечных монет! А это согласитесь не очень удобно. Я использую обычный пластилин необходимый вес которого я подгоняю при помощи аптечных весов.
Итак эквивалентный объем вычисляется по формуле:
где: Sd — эффективная излучающая поверхность диффузора, м2; Cms — относительная жесткость.
Излучающая поверхность диффузора для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна: Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью

Обратите внимание что единица измерения этой площади — квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах

Рассчитываем относительную жесткость Cms на основе полученных результатов по формуле:
м/Н (метров/Ньютон), где М — масса добавленных грузиков в килограммах.

Определение эквивалентного объема методом добавочного объема

Для определения эквивалентного объема динамика методом добавочного объема герметичный измерительный ящик с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать. Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. герметизируем все щели.
Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить механическую и электрическую добротность Qmc и Qec и добротность динамика в измерительном ящике Qts’ (Qtс). После чего уже вычисляем эквивалентный объем по формуле:
Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу:
где: Vb — объем измерительного ящика, м3.
Выполняем проверку: вычисляем и если измеренная в ящике Qts’=Qtc, ну или почти равна, значит — все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.

Выводы

Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:
*1. Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
*2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
*3. Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 — исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры — к какому типу акустического оформления динамик тяготеет.
Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров — Sd, Cms и Lе.
Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса.

КАРТА ПЕРВАЯ, ИЗМЕРЯЕМАЯ В ГЕРЦАХ

Итак: параметр Тиля — Смолла №1 — собственная резонансная частота динамика. Обозначается всегда Fs, независимо от языка публикации. Физический смысл предельно прост: раз динамик — колебательная система, значит, должна быть частота, на которой диффузор будет колебаться, будучи предоставлен сам себе. Как колокол после удара или струна после щипка. При этом имеется в виду, что динамик абсолютно «голый», не установлен ни в какой корпус, как бы висит в пространстве

Это важно, поскольку нас интересуют параметры собственно динамика, а не того, что его окружает

Диапазон частот вокруг резонансной, две октавы вверх, две октавы вниз — это и есть область, где действуют параметры Тиля — Смолла. Для сабвуферных головок, ещё не установленных в корпус, Fs может составлять от 20 до 50 Гц, у мидбасовых динамиков от 50 (басовитые «шестёрки») до 100 — 120 («четвёрки»). У диффузорных среднечастотников — 100 — 200 Гц, у купольных — 400 — 800, у пищалок — 1000 — 2000 Гц (бывают исключения, очень редкие).

Как определяют собственную резонансную частоту динамика? Нет, как чаще всего определяют — ясно, читают в сопроводительной документации или в отчёте о тесте. Ну а как её изначально узнали? С колоколом было бы проще: дал по нему чем-нибудь и измерил частоту производимого гудения. Динамик же в явной форме ни на какой частоте гудеть не будет. То есть он хочет, но ему не даёт присущее его конструкции затухание колебаний диффузора. В этом смысле динамик очень сходен с автомобильной подвеской, и этой аналогией я пользовался не раз и ещё буду. Что произойдёт, если качнуть на подвеске автомобиль с пустыми амортизаторами? Он хоть несколько раз, но качнётся на собственной резонансной частоте (где есть пружина, там будет и частота). Амортизаторы, сдохшие только отчасти, остановят колебания после одного-двух периодов, а исправные — после первого же качка. В динамике амортизатор главнее пружины, причём здесь их даже два.

Первый, более слабый, работает благодаря тому, что происходит потеря энергии в подвесе. Не случайно гофр делается из специальных сортов каучука, мячик из такого материала от пола почти не будет отскакивать, специальная пропитка с большим внутренним трением выбирается и для центрирующей шайбы. Это как бы механический тормоз колебаний диффузора. Второй, гораздо более мощный — электрический.

Вот как он работает. Звуковая катушка динамика — его мотор. В ней течёт переменный ток от усилителя, и катушка, находящаяся в магнитном поле, начинает двигаться с частотой подведенного сигнала, двигая, понятно, и всю подвижную систему, затем она и здесь. Но ведь катушка, двигающаяся в магнитном поле — это генератор. Который будет вырабатывать тем больше электричества, чем сильнее движется катушка. И когда частота станет приближаться к резонансной, на которой диффузор «хочет» колебаться, амплитуда колебаний возрастёт, и напряжение, производимое звуковой катушкой, будет расти. Достигнув максимума точно на резонансной частоте. Какое это отношение имеет к торможению? Пока никакого. Но представьте себе, что выводы катушки замкнули между собой. Теперь уже по ней потечёт ток и возникнет сила, которая по школьному правилу Ленца будет препятствовать движению, его породившему. А ведь звуковая катушка в реальной жизни замкнута на выходное сопротивление усилителя, близкое к нулю. Получается как бы электрический тормоз, приспосабливающийся к обстановке: чем с большим размахом пытается ходить туда-сюда диффузор, тем больше этому препятствует встречный ток в звуковой катушке. У колокола тормозов нет, кроме затухания вибраций в его стенках, а в бронзе — какое затухание…

ТРИ КАРТЫ, ОТКРЫТЫЕ ТИЛЕМ И СМОЛЛОМ

1. Fs — частота основного резонанса динамика без всякого корпуса. Характеризует только сам динамик, а не готовую акустическую систему на его базе. При установке в любой объём может только возрастать.

2. Qts — полная добротность динамика, безразмерная величина, характеризующая относительные потери в динамике. Чем она ниже, тем больше подавлен резонанс излучения и тем выше пик сопротивления на импедансной кривой. При установке в закрытый ящик возрастает.

3. Vas — эквивалентный объём динамика. Равен объёму воздуха с такой же жёсткостью, что и у подвеса. Чем жёстче подвес, тем меньше Vas. При одной и той же жёсткости Vas растёт с ростом площади диффузора.

На что влияет добротность динамика

Влияет Q в акустических системах в первую очередь на АЧХ и на импульсные характеристики АС. То есть этот показатель в значительной мере определяет особенности звучания динамиков. При добротности 0,5, к примеру, можно достичь наилучшей импульсной характеристики. При показателе же 0,707 получается ровный АЧХ. Также при:

• добротности 0,5-0,6 динамики выдают аудиофильский бас;

• показателях 0,85-0,9 бас становится упругим и рельефным;

• добротности 1,0 в срезе появляется «горбик» амплитудой 1,5 дБ, воспринимаемый ухом человека как хлесткий звук.

Вам будет интересно:Корпоративное государство: определение, суть

При дальнейшем росте показателя Q «горб» в звуке растет и из динамиков начинают исходить характерные гудящие шумы.

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.

Звук в конце тоннеля →
← Расчет закрытого ящика