Резонансный динамик в авто
Про резонансную частоту, часть 1
Попробуем разобраться с ключевыми параметрами динамиков. Начнем с одного из самых основных параметров — с резонансной частоты(fs). Писал очень долго и муторно, сотни раз переделывал и переписывал, и получилось многабукафф:) Поэтому разбил на две части. Во второй части будет о том, как фс ведет себя при различных оформлениях и резонанс применительно к высокочастотникам.
От вас жду дополнений и исправлений! Попробуем вместе создать действительно хорошие тексты, доступно разъясняющие основы и физику звука. Надеюсь, не только мне хочется от и до во всем разобраться:) Текст не самый легкий, поэтому включаем думалку, и вперед:) Поехали!
Итак, резонансная частота. Разумеется, этот параметр не самодостаточный и для построения сколь угодно качественной системы знания одного его будет мало.
Динамик, как и любая колебательная система, имеет свою резонансную частоту. Это не незыблемая величина, она может довольно сильно меняться в зависимости от разных факторов. Например, температура упала => подвесы задубели – резонанс возрос. Закинули динамик в ЗЯ – резонанс возрос. Накидали на колпак сортирки с ПВА – резонанс упал.
В документации к солидным динамикам всегда указывают эту величину, обозначается она Fs. Представляет собой некое значение частоты в герцах, при которой у динамика в свободном поле наблюдается резонанс. При замере динамик находится не в коробе (в идеале – на солидном удалении от любых отражающих поверхностей), он размят и замер делается при нормальной температуре. Легче всего этот резонанс определить по пику на графике зависимости сопротивления динамика от подаваемой на него частоты. Выглядит этот график примерно так:
Завал начинается как раз на частоте резонанса. А после резонанса играет относительно ровненько до тех пор, пока ему позволяет его конструкция.
Проверил это утверждение на практике. Взял три динамика и снял АЧХ (микрофон в паре см от диффа) и их Т/С параметры. Выглядят динамики так:
Про резонансную частоту, часть 1
Попробуем разобраться с ключевыми параметрами динамиков. Начнем с одного из самых основных параметров — с резонансной частоты(fs). Писал очень долго и муторно, сотни раз переделывал и переписывал, и получилось многабукафф:) Поэтому разбил на две части. Во второй части будет о том, как фс ведет себя при различных оформлениях и резонанс применительно к высокочастотникам.
От вас жду дополнений и исправлений! Попробуем вместе создать действительно хорошие тексты, доступно разъясняющие основы и физику звука. Надеюсь, не только мне хочется от и до во всем разобраться:) Текст не самый легкий, поэтому включаем думалку, и вперед:) Поехали!
Итак, резонансная частота. Разумеется, этот параметр не самодостаточный и для построения сколь угодно качественной системы знания одного его будет мало.
Динамик, как и любая колебательная система, имеет свою резонансную частоту. Это не незыблемая величина, она может довольно сильно меняться в зависимости от разных факторов. Например, температура упала => подвесы задубели – резонанс возрос. Закинули динамик в ЗЯ – резонанс возрос. Накидали на колпак сортирки с ПВА – резонанс упал.
В документации к солидным динамикам всегда указывают эту величину, обозначается она Fs. Представляет собой некое значение частоты в герцах, при которой у динамика в свободном поле наблюдается резонанс. При замере динамик находится не в коробе (в идеале – на солидном удалении от любых отражающих поверхностей), он размят и замер делается при нормальной температуре. Легче всего этот резонанс определить по пику на графике зависимости сопротивления динамика от подаваемой на него частоты. Выглядит этот график примерно так:
Завал начинается как раз на частоте резонанса. А после резонанса играет относительно ровненько до тех пор, пока ему позволяет его конструкция.
Проверил это утверждение на практике. Взял три динамика и снял АЧХ (микрофон в паре см от диффа) и их Т/С параметры. Выглядят динамики так:
Разбираемся в параметрах Тиля Смолла. Автозвук и DIY
Содержание
Содержание
Параметры Тиля-Смолла позволяют понять, как будет звучать динамик в том или ином корпусе без покупки, прослушивания и сравнительных тестов. Особенно это пригодится любителям автозвука, ведь именно им приходится иметь дело с голыми динамиками, которые монтируются в двери и багажники. Кто-то с помощью этих параметров рассчитывает подходящий объем и тип пространства для громкоговорителя, кто-то любит подбирать динамики от разных производителей и проверяет их совместимость друг с другом. Эта статья простым языком объяснит, кто такие Тиль, Смолл, что за параметры они придумали и что теперь с ними делать.
С кого все началось
Слева Тиль, справа Смолл
Что дают эти параметры
Основные параметры Тиля-Смолла
Чтобы понять их суть, нужно вспомнить, что динамик состоит из двух частей:
Таким образом, подвижная часть динамика движется только вверх и вниз, подобно поршню. Это движение сжимает и расширяет воздух, создавая звуковые волны. Если налить в динамик жидкость, можно увидеть, как образуются эти волны:
Как раз работа такого поршня и описывается параметрами Тиля-Смолла. Фундаментальных параметров три.
1. Эквивалентный объем (Vas, м3)
У подвеса и центрирующей шайбы есть некоторая упругость, которая мешает всей системе двигаться свободно. Ее можно представить как пружину. Если взять такой объем воздуха, который по своей упругости равен этой пружине, то как раз и получится эквивалентный объем.
Чем эквивалентный объем меньше, тем подвижная система у динамика жестче.
Этот параметр относится скорее к желаемой характеристике корпуса, а не самого динамика. Однако это ни в коем случае не тот объем корпуса, в который нужно поместить динамик. Если такое провернуть, то чересчур вырастет добротность и резонансная частота. Подушка из воздуха поднимет резонанс и будет работать как пружина, мешая торможению динамика.
Эквивалентный объем рассчитывается путем умножения жесткости подвеса, диаметра диффузора (потому что эта поверхность взаимодействует с другой пружиной — воздухом), плотности окружающего воздуха и скорости звука в нем. Соответственно, чем жестче подвес, тем меньше будет тот объем воздуха, который будет влиять на динамик фактом своего существования. Аналогично с диффузором — чем больше мембрана, тем сильнее она сжимает воздух внутри корпуса колонки или саба, а следовательно и ответная сила противостоящего ему воздуха будет выше.
Именно Vas часто играет решающую роль при выборе динамика под определенный объем. Особенно это касается сабвуферов — большим диффузорам нужны большие объемы. Обычно советуют прицеливаться на саб с Vas в районе 30–50 л.
2. Резонансная частота (Fs, Гц)
Если флешбеки со школьных уроков физики еще не начались, то тут они точно появятся. Есть колеблющаяся система — например, качели. Если отвести их в сторону и отпустить, то они будут качаться с определенной собственной частотой. Это и будет резонансная частота. Если вдобавок толкать качели с ней в такт, это позволит раскачать их быстрее и сильнее, чем применив любую другую частоту.
Это имеет самое прямое отношение к динамику: подвижная система (прежде всего подвес) — это качели, а электричество — тот парень, который их толкает. Если подать на динамик сигнал на его резонансной частоте, то обе эти частоты сложатся и образуют резонанс. На графике импеданса, и даже графике АЧХ в этом месте будет пик.
Чем мягче подвес и больше масса, тем резонансная частота ниже.
Fs — один из важнейших параметров, поскольку ниже нее звуковое давление динамика заметно падает. Поэтому для сабвуферов нужна максимально низкая резонансная частота, так как после нее обычно идет серьезный спад АЧХ. Это значит, что чем резонансная частота ниже, тем глубже будет бас.
Важно также отметить, что резонансная частота измеряется у динамика без корпуса. При размещении громкоговорителя в корпусе на Fs влияет объем последнего. Если нужно, чтобы резонансная частота (и полная добротность, о которой ниже) остались прежними, тогда следует установить динамик в такой багажник, объем которого превышает Vas минимум втрое.
Резонансная частота поможет определить роль динамика в АС. К примеру, если Fs более 50 Гц, то сабвуфер с таким динамиком не построишь, ему лучше всего подойдет роль мидбаса. Если же Fs выше 100 Гц, то такой динамик лучше всего использовать для воспроизведения средних частот. Для саба же подходящим будет Fs в районе 21–35 Гц.
3. Полная добротность (Qts)
После того, как диффузор динамика воспроизвел звук, он возвращается в исходное положение, причем не мгновенно, а плавно затухая на резонансной частоте — подобно качелям, которые перестали раскачивать. То, как быстро диффузор вернется на место, и есть полная добротность.
Чем быстрее диффузор встанет в исходную позицию после излучения сигнала, тем добротность ниже.
Чем добротность ниже — тем лучше. Если диффузор будет долго возвращаться в исходное положение, из-за колебаний на резонансной частоте появятся посторонние шумы, гул и артефакты.
Полная добротность состоит из двух «неполных»:
Любопытно, что добротность — параметр безразмерный. К примеру, если он равен единице, это означает, что для остановки диффузора последний должен совершить ровно один цикл колебаний (т.е. пропал сигнал, мембрана идет вверх-вниз, затем останавливается).
Считается, что наилучшая добротность для акустической системы равняется примерно 0,5-0,7 для обычной музыки и 0,8-0,9 для тех, кто любит жанры с преобладанием резкого баса. Чем она меньше этих значений, тем выше по графику АЧХ ползет спад басовых частот, лишая их слушателя. При больших значениях Qts на графике АЧХ случается горб в районе резонанса, а остальные характеристики ухудшаются.
Также важно соотношение резонансной частоты к полной добротности. Если результат деления обоих значений равен 50, то динамик стоит использовать лишь в закрытом объеме. Если же он достигает 100, тогда в конструкцию можно добавить фазоинвертор.
Второстепенные параметры
Три приведенных выше параметра — фундаментальные, но не единственные. Иногда в паспортах на динамик или АС встречаются и другие характеристики, однако не все они имеют значение и применимость. Обычно встречаются следующие:
Где найти эти параметры
Фундаментальные параметры Тиля-Смолла позволяют смоделировать как минимум среднюю громкость и импеданс будущей акустической системы. Также они помогут рассчитать конструкцию и объем корпуса, в который будет заключен громкоговоритель.
Но чтобы воспользоваться этими параметрами, нужно их для начала узнать. Иногда это просто, как с JBL STAGE3 607C. Достаточно открыть руководство по установке и вуаля!
Но часто они спрятаны глубоко под маркетинговыми лозунгами. К примеру, чтобы узнать искомые характеристики АС Morel Tempo Ultra 572, нужно найти в дебрях официального сайта pdf с презентацией линейки динамиков и отмотать в самый низ. Наградой станет здоровенная таблица со всеми параметрами всех динамиков в линейке производителя:
Есть и другие способы. Например, в одном из онлайн-калькуляторов можно найти базу моделей популярных динамиков. К примеру, нужно выяснить характеристики Ural АК-74.С. При выборе нужной модели в приложении открывается ее профиль с основными характеристиками, включая параметры ТС. А, кликнув на расчет короба, можно увидеть графики импеданса и Spl:
Как измерить самостоятельно
Из-под завалов хлама в гараже были извлечены пара ноунейм динамиков. С виду неплохие, но кто их сделал и для каких задач — тайна, покрытая мраком. Измерив их параметры, можно понять, что это за звери и на что сгодятся. Сделать это несложно, но понадобится несколько девайсов:
Процедура несложная, но требует определенной подготовки, поэтому описание заняло бы самостоятельностью статью. Благо, на официальном сайте Room Eq Wizard есть такая статья на английском, а на ютубе — русскоязычные видео с подробным описанием процесса:
Параметры Тиля-Смолла очень полезно знать, работая с голыми динамиками. Они позволяют сконструировать объем для громкоговорителя, руководствуясь не только эстетическими предпочтениями, но также формулами и математикой. Научный подход позволит добиться максимально качественного звука в любых условиях.
На перекрёстке двух частот. Главный принцип автомобильного сабвуфера. Журнал «Автозвук»
Сохранить и прочитать потом —
Близко к тексту из «А3» №5/2005: «Для мидбасов, обречённых на работу во фри-эйрных условиях, параметры головки и будут финальными, а для сабвуфера параметры головки мы используем для расчёта, по которому делаем оформление, считающееся оптимальным».
Это означает, что мы эдак плавно и без помпы перешли к операциям с сабвуферным звеном автомобильной аудиосистемы, без которого не обойтись. Или не удаётся обойтись, или не хочется обходиться, или и то и другое. Но прежде чем перейти к делу, зададим всё же для порядка вопрос: «А, собственно, почему?»
А ДЕЙСТВИТЕЛЬНО, ПОЧЕМУ?
Первая: двери автомобиля вовсе не равноценны могучим корпусам домашних колонок, что с ними ни делай, и на самых низких частотах звуковое давление падает. Диффузор мидбаса (если его полоса частот ничем принудительно не ограничена) отчаянно трясётся, пытаясь изобразить басы, но они гибнут в утечках и нежёсткости тонкой стальной оболочки, и слышимым результатом становятся только искажения. Они, как и полагается гармоникам, выше по частоте, потому воспроизводятся прекрасно.
Кстати, мы не удержались и выполнили такую же операцию, оставив в выборке только машины, занимавшие высокие места на автозвуковых соревнованиях. Как и ожидалось, «среднечемпионская» АЧХ выглядит куда скромнее «общенародной».
МЕХАНИЗМ БОЖЬЕЙ БЛАГОДАТИ
Решили всё вспоминать, так давайте и будем всё. Итак, предсказано, замечено, объяснено теоретически и неукоснительно подтверждено практикой: если в салоне машины работает динамик, обладающий ровной горизонтальной АЧХ, то при снижении частоты сигнала начиная с некоторого значения звуковое давление в салоне станет возрастать, притом что подведенная к динамику мощность остаётся неизменной. Частота, начиная с которой это происходит, определяется размерами салона.
Здесь у некоторых получается неразбериха: компрессионный эффект, он же действие передаточной функции, бывает, путают с резонансами, возникающими в салоне. Для ясности давайте проделаем мысленный опыт. Пусть в салоне автомобиля установлена акустика, на которую мы подаём сигнал скользящего тона. Начиная сверху. Пока частота сигнала высока, звуковые волны короткие, они весело, со скоростью звука, бегают по салону, отражаясь и поглощаясь на его границах. Когда длина волны, возрастая со снижением частоты, начнёт быть сравнима с наименьшим(!) размером салона, это обычно его высота, возникнет стоячая волна, и в зависимости от того, где расположен слушатель, он может попасть в точку минимума или, наоборот, максимума интенсивности звуковых колебаний. Принципиально, что таких значений частот несколько (если только салон не имеет форму шара со слушателем строго в центре), а воспринимаемый слушателем (или микрофоном, если идут измерения) эффект существенно зависит от их координат в салоне.
Движемся ниже по частоте. В какой-то момент длина волны станет столь велика, что даже половина её длины перестанет укладываться вдоль наибольшего(!) размера салона (это, разумеется, обычно его длина). Вот с этого момента и начнётся подъём АЧХ совершенно безвозмездно и безнаказанно.
Что именно произошло на этой волшебной частоте, почему произошло и как будут события разворачиваться дальше? Давайте в последний раз разберёмся, чтобы можно было считать вопрос закрытым. Для этого (снова мысленно, это вас не утомляет?) по-суворовски возьмём волшебную частоту в клещи с двух направлений.
Так это реально и происходит, что (пусть не количественно) можно увидеть совершенно невооружённым глазом. Подадим на динамик синусоидальный сигнал, скажем, 100 Гц, подняв уровень до такого значения, чтобы было хорошо слышно. Увидим: диффузор колеблется с двойной амплитудой эдак примерно в два миллиметра. Ничего не меняя, поднимем частоту до 200 Гц. Слышно, мягко говоря, не хуже, а колебания диффузора заметить уже непросто, амплитуда теперь составляет полмиллиметра. Поднимем частоту до 1000 Гц. Динамик орёт как потерпевший, а движение диффузора не увидит и соколиный глаз, их размах упал до двух сотых миллиметра. Значит, запомнили: в безграничном пространстве, в свободном воздухе, звуковое давление, создаваемое динамиком, будет постоянным, если амплитуда колебаний диффузора растёт вчетверо на каждую октаву снижения частоты. И только в этом случае.
Теперь пойдём с другого конца шкалы частот, снизу. Представьте себе, что динамик приделан снаружи к ящику, который в этом опыте будет изображать салон автомобиля (чтобы не портить дорогостоящее транспортное средство), а диффузор колеблется на очень низкой частоте, ну, например, 1 Гц. Или 5. Или 10. Ни о каком распространении звуковых волн внутри ящика, пусть он даже размером с автомобиль, говорить не приходится, длина звуковой волны с частотой
Сопоставим результаты мысленных (к счастью) экспериментов на высокой и на крайне низкой частотах. Когда мы идём сверху, звуковое давление в салоне распространяется по волновому механизму, салон большой, волны маленькие, для них это, можно считать, бесконечный простор. Динамик добросовестно старается создавать на любой частоте одно и то же звуковое давление, а для этого с каждой октавой при движении вниз амплитуда колебаний диффузора возрастает вчетверо.
На низких частотах динамик пытается делать то же самое: при возрастании частоты на октаву амплитуда колебаний диффузора снижается вчетверо. Но здесь-то, как мы только что согласились, колебания давления в салоне (а это и есть звуковое давление) пропорционально первой степени амплитуды колебаний диффузора, а значит, послушно падает вчетверо с каждой октавой роста частоты. Или растёт (опять же вчетверо) при движении в обратном направлении.
Что такое изменение звукового давления в четыре раза на октаву? Это 12 дБ по звуковому давлению, отсюда эта знаменитая величина, собственно, и берётся.
Где-то эти две кривые (точнее, пока прямые) должны повстречаться. Это произойдёт вблизи той самой волшебной частоты, определяемой наибольшим размером салона.
Физически эта частота соответствует тому моменту, когда половина самой длинной волны, появившейся в салоне, перестанет в этом салоне помещаться, хоть поперёк, хоть вдоль, хоть поставленная на попа. Реально это всегда вдоль, автомобили всё же в длину больше, чем в остальных направлениях. Когда перестаёт помещаться полволны, это значит, что во всех точках салона давление среды (воздуха или его смеси с табачным дымом) в любой момент времени изменяется в одну сторону: или всюду повышается, или всюду понижается на следующем полупериоде.
Будем реалистами и перестанем, наконец, без нужды поминать «Оку» и «стретч» на базе Lincoln Town Car. Немногочисленные желающие заняться высококачественным озвучиванием одного и другого наверняка найдут решения столь же нестандартные, сколь и их автомобили. В реальной жизни размеры салона различаются не так сильно, как размеры автомобиля, да и размеры большинства автомобилей разнятся не на порядок.
ЕСТЬ ДРУГАЯ ЧАСТОТА
СТОЛКНОВЕНИЕ ДВУХ ЧАСТОТ
На приведенный иллюстрациях, предельно идеализированных для пущей наглядности, показаны типовые случаи взаимодействия резонансной частоты сабвуфера и частоты перехода передаточной функции.
Результат осреднения АЧХ в салоне по примерно 80 аудиосистемам профессиональной работы, оплаченных и принятых заказчиками. Индивидуальные особенности нивелировались, и стало ясно: приблизительно такую АЧХ народ желает видеть в своей машине. А против народа не пойдёшь, да и ни к чему это
Для того чтобы сосредоточиться в этом разговоре на низких частотах, мы выделили из графика «общенародной» АЧХ низкочастотную область в виде отклонения АЧХ от горизонтальной. Трудно не заметить, что ниже 80 Гц вкусы любителей автозвука кристаллизовались в куполообразную АЧХ с максимумом на 40 Гц
Оставив в выборке только те системы, в которых сабвуфер был устроен по принципу закрытого ящика, а не фазоинвертора, подтвердили то, что и так знали: именно ЗЯ даёт наиболее ровную АЧХ. При правильном выборе параметров, естественно
Ход диффузора в зависимости от частоты отложен в логарифмическом масштабе, поэтому то, что он увеличивается в 100 раз при снижении частоты сигнала в 10, выражается наклоном прямой.
Если предположить, что такой сабвуфер действительно существует, АЧХ в салоне в идеальном случае неуклонно стремилась бы вверх с наклоном 12 дБ/окт., при этом амплитуда колебаний диффузора, весьма скромная даже на довольно низких 100 Гц, к самым низким частотам пыталась бы достичь совершенно невменяемых значений. В реальных условиях ниже 20 Гц кузов автомобиля начинает «дышать» настолько, что звуковое давление перестаёт расти, но сабвуфер этого не знает и продолжает колотиться как ненормальный. Если это не предотвратить
Чуть более реальный, но всё же неоптимальный случай. Из самых светлых побуждений для машины спроектировали cабвуфер с резонансной частотой 20 Гц. Мечта домашнего аудиофила. Что произошло: до самых 20 Гц АЧХ в салоне растёт под влиянием передаточной функции, и только там переходит в горизонтальную линию (о которой домашний аудиофил не смеет и мечтать). Ни простой народ, ни тем более прославленные чемпионы такую АЧХ, как можно видеть из нашей статистики, не хотят. В том числе и потому, что ход диффузора на не очень нужных для звука сверхнизких частотах по-прежнему очень велик.
В реальной жизни такое получается, когда по дури или с озорства сабвуферную головку с низкой резонансной частотой, предназначенную для установки в ящик, монтируют в заднюю полку и она работает в режиме бесконечного экрана (free air)
