Тут мы пытаемся докопаться до сути, тыкая пальцем в небо, не читая полноценно книг, узнать как работают громкоговорители и акустическое оформление.
Как устроен динамик
Чтобы как то понимать о чём речь пойдёт дальше, в первую очередь нам необходимо знать главные компоненты динамика
Акустическое оформление
Давайте проделаем эксперимент. Возьмем любой простенький широкополосный или среднечастотный динамик небольшого размера и поставим его на стол диффузором вверх. Подключив к усилителю, послушаем через динамик музыку. Странно: динамик, вроде, в порядке, но как-то не звучит. Получается искаженно, не полно, а низких частот почему-то вообще нет.
Теперь продолжим эксперимент. Окружим ладонями динамик с двух сторон, выстроив ими продолжение плоскости диффузора за краями. Результат: появились низкие частоты и все зазвучало гораздо лучше.
То, что создавало проблемы в начале, называется акустическим коротким замыканием. Звуковые волны, воспроизводимые передней поверхностью диффузора, за краями динамика взаимодействуют со звуковыми волнами, воспроизводимыми задней поверхностью, и вычитаются между собой, что приводит к ослаблению слышимого звука, особенно на низких частотах. Для того, чтобы преодолеть этот негатив, и существует такое понятие как акустическое оформление.
Акустическое оформление призвано заставить правильно работать поверхность подвижной системы динамика.
Плоская стена
Если взять листовой материал достаточной площади, проделать нем отверстие диаметром с диффузор и зафиксировать в нем наш динамик, то он зазвучит очень пристойно.
Физически оптимальным акустическим оформлением может быть плоская стенка бесконечной площади, за которой находится бесконечный объем — на него работает тыльная поверхность диффузора. В реальности такой объект невозможен. Плоская стенка преодолевает короткое замыкание не полностью, а ее размеры должны выбираться по принципу «чем больше — тем лучше». Еще одним недостатком плоской стенки является то, что на ее базе можно создать только дипольный излучатель — звук будет воспроизводиться с обеих сторон, что не всегда является позитивным фактором.
Закрытый ящик
Этих недостатков лишен другой тип акустического оформления, широко распространенный по сей день. Он называется «закрытый ящик» (З.Я.) Смысл его работы следует из названия. Динамик монтируется в стенку герметично закрытого ящика, объем воздуха в котором, кстати, имеет собственный резонанс и, будучи правильно рассчитанным, способен позитивно повлиять на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) акустической системы — именно так называется созданный нами объект. Для демпфирования внутреннего объема ящика в него часто помещают пористый материал, распределяя его по стенкам или локально. Это может быть хлопковая вата, стекловата, поролон и т. д.
Технологичнее и проще всего сделать нашу акустическую систему, то есть, колонку, в виде прямоугольного параллелепипеда. Но у такого варианта есть немало недостатков. Прежде всего, это внутренние резонансы — когда звук «мечется», отражаемый параллельными стенками, от стенки к стенке, резонируя на определенных частотах. Математические расчеты показывают, что одним из лучших вариантов закрытого ящика является шар, но уж никак не параллелепипед, от которого часто пытаются отойти. Разработчики стремятся сделать стенки не параллельными, закруглить углы и так далее, что позитивно влияет на звучание и негативно — на стоимость системы.
Фазоинвертор, лабиринт, ПАС
Акустическое оформление «закрытый ящик» при неплохом звучании имеет и негативные моменты. Мало того, что сам по себе коэффициент полезного действия нашего динамика не так уж высок. В закрытом ящике к тому же «работает» только передняя поверхность диффузора, излучение задней поверхности до нашего слуха не доходит, понижая КПД системы приблизительно вдвое.
Применить с пользой излучение с задней стороны диффузора позволяет акустическое оформление «фазоинвертор». В ящик вставляется труба, и ее геометрия в сочетании с объемом ящика рассчитывается таким образом, чтобы резонанс получившейся системы приходился в нужную область частотного диапазона, а излучение в этой частотной области для слушателя было синфазным (синхронным) с передней поверхностью диффузора.
Таким образом, излучение, «забранное» от задней поверхности диффузора, дополняет излучение передней. КПД системы на низких частотах резко повышается. Именно поэтому практически в большинстве современных колонок используется фазоинвертор. С другой стороны, такое оформление может привести к определенному падению качества звучания, причем именно в басовом диапазоне.
Отдельным классом акустического оформления считается лабиринтное, в котором к тыльной стороне динамика примыкает достаточно длинный фазоинвертор, сделанный в виде некоего криволинейного канала. Кроме того, и сам порт фазоинвертора может иметь переменное сечение и специальную аэродинамическую геометрию поверхностей, которая предотвращает дополнительные призвуки от движения столба воздуха внутри фазоинвертора.
Пассивный излучатель
И, наконец, акустическое оформление, получившее распространение в автономных аккумуляторных спикерах, особенно популярных последнее время. Это пассивный излучатель (ПИ). Фактически, ПИ — это тот же динамик, но только без магнитной системы и голосовой катушки. Его диффузор имеет определенный вес и параметры подвижной системы. Резонансная частота такого пассивного излучателя может быть рассчитана на заданный диапазон при том, что его размеры гораздо меньше, чем размеры аналогичного столба воздуха — впечатляющие «низы» можно получить от устройства сравнительно небольших размеров.
Потому пассивные излучатели и получили особое распространение в компактных спикерах. Существует система с более изощренным применением ПИ, когда низкочастотный динамик с малым диаметром, но длинным ходом, работает на пассивный излучатель гораздо большей площади, способный сформировать пониженный низкочастотный предел получившейся колонки.
Рупор
Все вышеперечисленные варианты акустических оформлений применяются, по большей части, в области низких частот. Что же касается остальных частот слышимого диапазона, то здесь применимы рупорные варианты акустического оформления. На самом деле, для низких частот рупоры тоже делают, но они получаются очень уж большими.
Рупор позволяет сделать изучение динамика узконаправленным, резко подняв звуковое давление, то есть громкость, в зоне прослушивания. Сейчас рупорные системы применяются нечасто. С одной стороны, их звучание можно назвать аудиофильским. С другой стороны, рупорным системам присуща серьезная неравномерность амплитудно-частотной характеристики — такие колонки бывают очень хороши для одних жанров музыки и не годятся для других.
Параметры Тиля — Смолла
Допустим, у нас в руках оказался динамик, нужно понять в какой корпус его можно вставить, Существуют несколько параметров, по которым можно рассчитать объём корпуса для динамика. Корпус, в который будет вставлен динамик, называется — акустическое оформление АО.
Тиль и Смолл это два ученых, которые сформировали единый, общепринятый подход к вычислению характеристик низкочастотных динамиков на основе основных параметров (Fs, Qts, Vas).
Резонансная частота
Для воспроизведения звука мембрана динамика совершает колебания, двигается вперёд, назад.
Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
колебания характеризуются определенными физическими терминами, которые позволяют описать колебания количественно.
Амплитуда колебаний — максимальное значение смещения или изменения переменной величины.
Если мы говорим о движении маятника, то амплитуда — это максимальное расстояние, на которое смещается тело от точки равновесия.
Так как колебания — это повторяющиеся движения, можно говорить о частоте и периоде колебаний.
Период колебаний — это время, за которое происходит одно колебание. В физике обозначается буквой T и измеряется в секундах.
Частота — это величина, выражающая число повторений чего-нибудь в единицу времени. Измеряется в Герцах Гц. Применительно к звуковому динамику, частота 30Гц означает что мембрана сходила из своего нулевого положения вверх-вниз 30 раз в секунду и вернулась обратно в нулевое положение. Если взять переменное напряжение в бытовой сети, которое у нас в стране равно 50Гц, то ток изменил своё направление 50 раз в секунду.
Резонанс (от лат. resono — откликаюсь) — это достижение максимальной амплитуды колебаний системой.
Лучшее определение:
Резонанс — это явление, при котором амплитуда колебаний системы (мембрана динамика) резко возрастает, когда частота внешнего воздействия (катушка, ток, магнит) совпадает с одной из её собственных частот. Примеры:
- качели, которые раскачивают в такт
- струнный инструмент, который звучит громче, если нота совпадает с резонансной частотой струны
Как и у любого маятника — колебательной системы, у динамика существует частота резонанса. Резонансная частота — это собственная частота, при которой среда вибрирует с максимальной амплитудой. Простыми словами при резонансной частоте у динамика наблюдается максимальный ход мембраны.
Для акустических систем и громкоговорителей резонанс отдельных элементов (корпуса, диффузора) является нежелательным явлением, так как ухудшает равномерность амплитудно-частотной характеристики устройства и верность звуковоспроизведения. Исключением являются акустические системы с фазоинвертором, в которых намеренно создаётся резонанс для улучшения воспроизведения низких частот.
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. Сопротивление динамика на резонансной частоте максимально.
Зная резонансную частоту, мы можем с большой долей вероятности определить, на каких частотах будет играть динамик. Динамик с резонансом в 120Гц – это отвратительный сабвуфер и очень плохой мидбас. Даже если он выглядит как сабвуфер и у него 12” дифф, огромный магнит и большая губа.
Теперь смелое утверждение: динамику хорошо ВЫШЕ этой частоты. Чем выше рабочий диапазон динамика, тем более строго соблюдается это утверждение.
Например, пищалкам категорически противопоказано работать на своей Fs. Для них нужно обрезать сигнал так, чтобы на частоте резонанса они не играли вообще, пищалки должны работать значительно выше. Иначе и звук будет непотребный, и за сохранность железа никто не ответит.
Серединки и миды в крайнем случае могут работать до резонансной частоты. Если они не будут ее пересекать – это положительно отразится и на качестве звука, и на долговечности компонентов. Сабвуферы могут забираться и даже жить ниже ФС, но тут многое зависит от акустического оформления и помещения. Общая суть для сабов: чем ниже фс, тем более этот динамик сабовый. Если перед вами лежит 15-ти дюймовый дин с огромным магнитом и у него резонанс 68Гц — сабом он не станет никогда. Максимум, что из него можно будет сделать — это мидбас. Но никак не саб.
От чего зависит Fs?
Масса подвижки – увеличение массы подвижной системы уменьшает резонансную частоту. Оттого динамики разной размерности с одинаковыми моторами будут отличаться по фс: как правило, диффузор бОльшего диаметра тяжелее, поэтому резонанс его будет ниже.
Жесткость подвеса – чем подвес более жесткий, тем выше резонанс.
Жесткость диффузора – с повышением жесткости диффа резонанс растет! Если диффузор мягкий и «желеобразный» то Fs будет ниже, чем у точно такого же динамика, но с жестким дифом. Это очень видно, например, при установке тюнячих жестких колпаков.
Добротность динамика – параметр, который указывает, во сколько раз запасы энергии в колебательной системе превышают ее потери при изменении фазы на 1 радиан.
Если говорить простыми словами, добротность — это история про затухающие колебания. Про то, как именно динамик ведет себя после устранения возмущающей силы (прекращения сигнала).
Если разобрать определение добротности более простыми словами, то станет гораздо понятнее, за что отвечает эта характеристика. Высокая добротность динамиков означает то, что колебания мембраны будут продолжаться после отключения источника. Это снижает качество звучания, потому что появляются посторонние шумы. Низкое значение наоборот быстро погашает— колебательные движения, делая при этом чисты и приятный звук. Различают механическую, электрическую и полную добротность. Механическая добротность динамика — потери энергии, которые возникают во время трения.
Принято за правило числовое обозначение добротности динамиков. И чем оно ниже, тем показатель лучше. Наилучшим показателем добротности в современных динамиках считают значение от 0,7 и ниже. Но следует понимать, что это значение должно быть в соотношении с воздействующими на него факторами. Акустическое исполнение напрямую влияет на показатель добротности и, как правило, повышают его. Так, например, на показатель динамика вставленного в закрытый ящик, влияют не только потери энергии, но и упругость воздуха. Поэтому при такой конструкции используют фазоинверторы.
Для улучшения звукопередачи специалисты прибегают к изменению значения параметра добротности. Чаще всего они интересуются, как понизить добротность динамика, потому что, как известно, чем меньше показатель, тем лучше качество звучания. Чтобы добиться этого результата нужно кардинально переделывать мотор. Процедура очень сложная и не всегда оправданная. Иногда практики приклеивают магнит, однако это меняет показатель на 5-10%. Слишком низкая добротность динамика — это тоже не очень хорошо. В этом случае появляется завал высокочастотного излучения в зоне резонанса динамика. В принципе показатель добротности должен составлять примерно определенные значения. При этом выделяют два значения:
- Q=0.577. Определяется минимальными задержками;
- Q=0,707. Наиболее гладкая АЧХ.
Давайте разбираться: что в динамике отвечает за запасы энергии, а что за потери.
Очевидно, что запасать энергию могут подвесы: внешний подвес и центрирующая шайба — это пружины, которые стремятся вернуть подвижку в первоначальное состояние.
А вот с потерями все не так очевидно. Есть механические потери (Qms), сюда входят потери на трение в подвесах, затраты энергии на звукоизвлечение и т.д. Но этот компонент не доминирует в общей картине, главную скрипку играет электрическая добротность (Qel или Qes). Среднее значение механической добротности для низкочастотного динамика от 2 до 10.
В моторе динамика происходит следующая интересная штука: проводник (катушка), двигаясь в магнитном поле вырабатывает ЭДС, то есть, работает не как двигатель, а как генератор. Обычно динамики подключены к усилителю, а у них (у усей) мизерное сопротивление, очень близкое к 0.
Получается, что когда сигнал от усилителя исчезает, а динамик «на ходу» – он работает как генератор, причем с максимальной нагрузкой (выходы катушки практически закорочены). Эта нагрузка создает достаточно мощную тормозящую силу, вынуждающую катушку и дифузор быстро остановиться.
Среднее значение электрической добротности для низкочастотного динамика от 0,2 до 0,9. Сравните это с типовыми значениями механической добротности, и станет очевидно, что гашение колебаний (потери энергии) происходят преимущественно из-за электрической составляющей.
Можно провести простой эксперимент: взять низкочастотный динамик и аккуратно постучать по диффузору (за целостность динамика я не отвечаю!))) Вы услышите небольшой гул на резонансной частоте.
Если закоротить выводы катушки и постучать еще раз – гула уже не будет, потому что колебания на резонансной частоте практически сразу же гасятся в магнитной системе динамика.
Электрическая и механическая добротности складываются друг с другом и в итоге получается полная добротность – именно этот параметр мы используем для расчетов оформления. Да, знать добротность нам нужно именно для этого – чтобы можно было определить, какой корпус и какое акустическое оформление подойдет к нашему динамику.
Механическая и электрическая добротности складываются не просто суммой, а формулой, аналогичной сопротивлению при параллельном включении:
Qts=Qes*Qms/( Qes+Qms)
Делаем вывод: чем мощнее у динамика мотор (при прочих равных), тем меньше будет добротность. Поэтому на сверхмощных сабах ставят по нескольку жестких центрирующих шайб, иначе добротность упадет ниже плинтуса:)
С запасами и потерями энергии вроде разобрались. Теперь определимся с конкретными значениями.
Высокая добротность – это когда потери малы, а энергии в подвесах запасено много и колебания продолжаются после исчезновения возмущающей силы. Причем это не случайные колебания, а именно колебания на частоте резонанса головки.
Низкая добротность – потери велики, и при исчезновении сигнала колебания сразу же затухают. У такого динамика нет склонности выделять какую-то определенную частоту.
Логично предположить, что для динамика подойдет именно низкая добротность! Нам не нужно, чтобы после окончания сигнала динамик сам по себе продолжал что-то доигрывать (и всегда на одной и той же частоте). Важно понимать, что высокодобротный динамик не будет продлевать короткие ноты, он к любому возмущению будет добавлять бубнеж на своей частоте резонанса. Оттого звук становится монотонным, окрашеным, с постоянным гулом — ну, я думаю, все знают, как звучат дешевые компьютерные бубнелки и музыкальные центры?:) А нам важно чтобы дин воспроизвел именно тот сигнал, который на него отправили, без импровизаций и самодеятельности.
Слишком низкая добротность – это тоже не хорошо. В этом случае в зоне резонанса динамика появляется завал относительно уровня высокочастотного излучения, тем шире, чем ниже добротность. Добротность в итоговой конструкции должна составлять вполне определенные значения.
Выделяют два особых значения добротности:
- Q=0,577 (функция Бесселя, характеризуется минимальными временными задержками.
- Q=0,707 Баттервота, максимально гладкая АЧХ
Добротности ниже 0,5 ведут к сильному завалу НЧ, выше 1 – явно появляется вброс АЧХ на частоте резонанса.
Итак, от чего же зависит добротность?
- От силы мотора.Чем мощнее магнитная система, чем больше магнитное поле в зазоре, чем больше проводника находится в этом зазоре – тем ниже будет значение добротности.
2. Добротность зависит от жесткости подвесов. Чем больше жесткость, тем больше энергии может быть запасено, тем выше добротность.
Масса подвижки.Как мы уже знаем, низкая добротность – показатель мощного мотора. А увеличение массы как бы делает усилия мотора менее существенными. Проверяем: вот два замера одного и того же динамика. Первый замер – динамик в первозданном виде, второй – с дополнительным грузом на диффузоре
Провода. Если провода обладают существенным сопротивлением, то они будут увеличивать добротность, так как нагрузка на «генератор» в лице динамика падает. Вот тестовый замер 4 Ом динамика и того же самого динамика, подключенного через 4 Омный резистор. Добротность возросла с 1,1 до 2,3. Причем изменилась именно электрическая добротность. Вывод: провода должны иметь минимальное сопротивление. Открыл Америку, блин))
Как влияет акустическое оформление?
Объем воздуха в закрытом ящике работает как дополнительная воздушная пружина, следовательно жесткость колебательной системы растет, добротность растет. Чем меньше объем ящика, тем сильнее растет добротность.
В ЧВ к диффу как бы прикрепляется масса воздуха в туннеле, оттого итоговая добротность растет. Во фри, ОЯ, БЭ и прочих существенно меняться добротность не должна.
Для себя я сделал следующий вывод, и думаю, что он правильный: мы должны получить итоговую добротность всех резонансов в пределах 0,5-0,7. Вне зависимости, какое оформление мы выбрали.
Как видим, все акустические оформления в лучшем случае не меняют добротность, а в большинстве случаев существенно ее поднимают. Поэтому нам нужны низкодобротные динамики с добротностями от 0,3 до 0,7. Для того, чтобы возросшая в оформлении частота составила нужные нам 0,7.
Но, с этим связана некоторая подстава:) 99% дешевых и легкодоступных динамиков высокодобротные. Я говорю про бюджетную автомобильную акустику, про динамики, устанавливаемые в компьютерные колонки, в музыкальные центры, в бюджетные системы 5:1, в бумбоксы всякие. Почти везде добротность динамика близка к 1, а зачастую и того больше.
Не знаю, почему так делается, то ли на магнитах экономят и не могут в рамках бюджета сделать мощный мотор, то ли специально делают так, чтобы в ущерб качеству «долбило» лучше (а долбить оно будет реально сильнее, и на любой композиции одинаково: в частоту резонанса).
А может это тонкий маркетинговый ход, вынуждающих тех, кто слышит разницу, платить вместо 5000р за колоночки 50 000+?:)
Добротность можно прикинуть по картине поведения динамика , его АЧХ в районе резонанса. Число полных колебаний пр выходе на полку и будет добротностью. Скажем, добротность 1, имеем выброс над полкой с ямой дальше, один период. С добротностью выше 1 будут новые полуволны на ачх.
https://www.drive2.ru/b/480725176435081430
Для определения навскидку о пригодности динамика для ЗЯ существует параметр EBP.
EBP=fs÷Qts
SAN184.02 —- 40 / 0.43 = 93 ()
18LW1400 —- 31 / 0,29 = 106 (EBP в даташите 100Hz)
Если результат будет меньше или равен 50, то это однозначно наш вариант. Но в некоторых источниках приемлемо и 80.
Идем дальше… Динамик нам допустим для ЗЯ подходит. А как навскидку в магазине определить под него необходимый объем? Тут тоже предлагают достаточно простой метод. Суть вот в чём: при установке в короб у динамика меняются некоторые свойства в том числе fs и Qts (Кому интересно, тот может более подробно ознакомиться с этим, воспользовавшись поисковиком). В ЗЯ эти параметры называются результирующими и обозначаются fc и Qtc.
Опять же принято считать, что идеальным значением добротности динамика в ЗЯ (Qtc) является 0.7. К нему и нужно стремиться, но, если мы ещё глубже копнем, то для инструментальных жанров Qtc = 0.5-0.6, а для электронной Qtc = 0.8-0.9. Как-то так.
fc же не должно выходить за рамки сабового диапазона.
Если поставим динамик ровно в такой же объем, что и Vas, то fc и Qtc увеличатся в 1.4 раза
Если мы хотим установить динамик в двое меньший объем, чем Vas, то fc и Qtc увеличатся в 1.7 раза.
Если втрое меньший объем, то в 2 раза…
Суть понятна, правда? Не каждый динамик в желаемом нам объёме заиграет.
Теперь более сложные расчеты:
1. Qtc = Qts√(Vas÷Vb+1), где Vb — это объем желаемого ящика.
2. fc = fs√(Vas÷Vb+1)
или
fc = fs•Qtc÷Qts
3. Vb = Vas÷((fc÷fs)²-1)
Ну вот вроде бы и всё.
А нет, не всё. Вот сайт для ленивых:
www.mh-audio.nl/Loudspeakers.html#top
высчитать эквивалентный объём динамика
Vb = Vas÷((fc÷fs)²-1)
Vb 128,5
Qtc — добротность динамика в ЗЯ
Qtc = Qts√(Vas÷Vb+1), где Vb — это объем желаемого ящика.
Qtc 0.6273 добротность для SAN184.02 в ЗЯ 128,5Л
Qtc 0,5277 добротность для 18LW1400 в ЗЯ 128,5Л
fc — резонансная частота динамика в ЗЯ
fc = fs•Qtc÷Qts
fc 58,35 Гц для SAN184.02 в ЗЯ 128,5Л
fc 56,41 Гц для 18LW1400 в ЗЯ 128,5Л
Как получить объём ящика Vb для желаемой резонансной частоты fc когда динамик уже в корпусе. Например хотим 50Гц
Vb = Vas÷((fc÷fs)²-1)
Vb = 145÷((50÷40)²-1) = 259 литров
Объём короба Cerwin Vega Earthquake 128,5 литров
Некоторые значения:
Это список значений, представляющих собой разницу в дБ между двумя уровнями по формуле [20 * log(X/Y)]:
- 12 дБ = примерно в четыре раза громче (400%).
- 6 дБ = примерно в два раза громче (200%).
- 1 дБ = примерно на 10% громче. Это очень близко к наименьшему изменению громкости которое человек может заметить.
- 1 дБ = примерно на 10% тише.
- 6 дБ = примерно в два раза тише 50%.
- 12 дБ = примерно на 75% тише.
Если ограничиться одним предложением, то АЧХ должна иметь форму, близкую к прямой. Но мы не ограничимся, конечно, а расскажем поподробнее.
Если устройство имеет хорошую АЧХ, то оно правильно воспроизводит все низкие, средние и высокие частоты в правильном соотношении между собой, что обеспечивает чистый, богатый и насыщенный звук. По АЧХ можно увидеть, на сколько дБ звук отклоняется от нормы в конкретном диапазоне частот. Ориентируемся на следующие цифры:
- ± 1 дБ – минимально различимое изменение звукового давления;
- ± 3 дБ – заметное, но допустимое отклонение;
- > 10 дБ – существенное отклонение в громкости, могут неприятные ощущения при прослушивании.
АЧХ конечно должна пребывать в неких рамках. На практике даже меньших чем чем это декларирует стандарт DIN (+-3Дб).