На что влияет резонансная частота. Параметры Тиля-Смолла и акустическое оформление динамика. Измерение параметров Тиля-Смолла R e, F s, F c, Q es, Q ms, Q ts, Q tc, V as, C ms, S d, M ms

Вот решил сам написать статью, весьма важную для акустиков. В этой статье хочу описать способы измерения самых важных параметров динамических головок - параметры Тиля-Смолла.

Помните! Приведенная ниже методика действенна только для измерения параметров Тиля-Смолла динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц (т.е. низкочастотных динамиков), на более высоких частотах погрешность возрастает.

Самыми основными параметрами Тиля-Смолла , по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (проще говоря - ящик) являются:

Резонансная частота динамика F s (Герц)
Эквивалентный объем V as (литров или кубических футов)
Полная добротность Q ts
Сопротивление постоянному току R e (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

Механическую добротность Q ms
Электрическую добротность Q es
Площадь диффузора S d (м 2) или его диаметр Dia (см)
Чувствительность SPL (dB)
Индуктивность L e (Генри)
Импеданс Z (Ом)
Пиковую мощность P e (Ватт)
Массу подвижной системы M ms (г)
Относительную жесткость (механическая гибкость) C ms (метров/ньютон)
Механическое сопротивление R ms (кг/сек)
Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL (Тесла*м)

Большинство этих параметров может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень. Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу. Автор этого "труда" не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников - как иностранных, так и российских.

Измерение параметров Тиля-Смолла R e , F s , F c , Q es , Q ms , Q ts , Q tc , V as , C ms , S d , M ms .

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

Вольтметр
Генератор сигналов звуковой частоты. Подойдут программы-генераторы, которые генерируют необходимые частоты. Типа Marchand Function Generator или NCH tone generator . Так как дома не всегда можно найти частотомер, можно вполне доверится этим программам и Вашей звуковой карте, установленной на компьютере.
Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Схема для измерений

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например, для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0.004 вольта. Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Нахождение R e

Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re можно замерить и непосредственно омметром.

Нахождение Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Нахождение Q ms , Q es и Q ts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров R o , R x и измерение неизвестных нам ранее частот F 1 и F 2 . Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две - одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно. Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

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.
Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение F s /Q ts 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 - V as , S d , C ms и L.

Нахождение S d

Это так называемая эффективная 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.

Нахождение индуктивности катушки динамика L

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц. Поскольку реактивная составляющая (X L) отстоит от активной R e на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и R e (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:

Найдя реактивное сопротивление X L на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Измерения V as

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.{mospagebreak}

Нахождение V as 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 F s . 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.

где М - масса добавленных грузиков в килограммах.

Исходя из полученных результатов V as (м 3) рассчитывается по формуле:

Нахождение V as методом добавочного объема

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. Объем ящика обозначен как V b .

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Q mc , Q ec и Q tc . Методика измерения полностью аналогична описанной выше. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса. А вот как оно рассчитывается - это уже совсем другая история.

Определение механической гибкости C ms

Где S d - эффективная площадь диффузора с номинальным диаметром D. Как вычислять написано ранее.

Определение массы подвижной системы Mms

Она легко рассчитывается по формуле:

Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL

Самое главное не забывайте, что для более точных значений измерения параметров Тиля-Смолла необходимо проводить эксперимент несколько раз, а затем путем усреднения получать более точные значения.

Сабвуфер (subwoofer) представляет собой отдельную акустическую систему, предназначенную для воспроизведения низших частот звукового диапазона (обычно 20-120Гц).

Для того, чтобы получить хорошие низкие частоты на обычных акустических системах (без сабвуфера) обычно требуются довольно большие и мощные колонки. К тому же колонки с хорошими "низами" будут стоить довольно дорого. Применение сабвуфера позволит вам разгрузить АС по низким частотам. А поскольку человеческий слух не может распознать направление низкочастотного звука, сабвуфер понадобиться только один и расположить вы его можете практически в любом удобном месте комнаты. Качество звука при этом несколько повысится, поскольку вам не придется перегружать колонки басами большой мощности, и следовательно уменьшится количество искажений. К тому же АС получатся намного меньше в размерах, поскольку высокочастотному динамику (т.н. "пищалке") обьeма вообще не требуется, а среднечастотнику его нужно совсем мало.

Сабвуфер можно использовать и с уже имеющимися у вас колонками, которые, наверняка, не дают вам насладится мощным бассом. Думаю вам уже захотелась его сделать. Тогда, для начала, немного теории.... Чтобы добиться качественного звука любой самодельной АС нужно для начала знать немного теории. И сделать некоторый выбор. Я имею в виду тип ящика и головки.

Ниже мы рассмотрим три основных типа ящиков, наиболее часто используемых как в сабвуферах так и в оформлении низкочастотной головки многополосных аккустических систем. Более сложные конструкции трудны в изготовлении и настройке. К тому же они очень критичны к точности расчетов и иногда слишком громоздки для дома.

О ящиках

Здесь мы рассмотрим три основных типа ящиков, используемых в сабвуферах (как впрочем и в других АС). Но для начала немного о предназначении и функции какого бы то ни было ящика. Аккустическая головка излучает звук не только "вперед" но и назад, при этом фронтальная и тыловая звуковые волны противоположны по фазе. В связи с этим, существует термин "аккустическое замыкание" при котором волны с обеих сторон диффузора складываются и(если они противоположны по фазе) гасят друг друга. В этом случае в идеале вы вообще ничего не услышите, на практике же звук будет, но очень далеким от оригинала. Ящик аккустической системы, позволяет это замыкание ликвидировать и придать звуку требуемые характеристики по мощности и частоте.

Существет три типа акустического оформления: А именно - это Закрытый ящик, Фазоинвертор и Бандпасс...Останвимся на них немного подробнее.

Закрытый ящик (ЗЯ) - sealed box

Это наиболее простой в изготовлении тип аккустического оформления АС. Колебания в таком ящике находятся в закрытом обьеме и в конечном итоге гасятся. Но поскольку звуковая волна это энергия, то затухая она превращаются в тепло. И хотя количество этого тепла невелико оно все же оказвает влияние на характеристики аккустической системы. (теплея воздух расширяется и повышает жесткость системы). Для предотвращения этого эффекта ЗЯ заполняют изнутри звукопоглощающим материалом, который, поглощая звук поглощает и тепло. Повышение температуры воздуха становится намного меньше и динамику "кажется" что позади него существенно больший объем чем на самом деле. На практике таким способом удается добиться увеличения "аккустического" объема ящика по сравнению с геометрическим на 15-20%.

При всей простоте этой конструкции она обладает многими достоинствами. Во-первых, простота расчета характеристик. Здесь есть всего один параметр -обьем. Во-вторых, во всем диапазоне частот колебания диффузора сдерживаются упругой реакцией воздушного обьема. Это существенно снижает вероятность перегрузки динамика и его механических повреждений. Не знаю, насколько утешительно это звучит, но у заядлых любителей баса динамики в закрытых ящиках, бывает, горят, но практически никогда не "выплевываются". В-третьих, при грамотном выборе параметров головки и объема для нее закрытый ящик не имеет себе равных в области импульсных характеристик, в значительной мере определяющих субъективное восприятие басовых нот.

Естественный вопрос теперь - так в чем же подвох? Если все так хорошо, зачем нужны все остальные типы акустического оформления? Подвох один-единственный. К.П.П. У закрытого ящика он -наименьший по сравнению с любым другим типом акустического оформления. При этом чем меньше нам удастся сделать объем ящика, при сохранении отго же рабочего частотного диапазона, тем меньше будет его эффективность. Нет более ненасытной твари в смысле подводимой мощности, чем закрытый ящик малого объема, поэтому-то динамики в них, как и было сказано, хоть и не выплевываются, но горят нередко.

Фазоинвертор (ФИ) - vented box

Cледующий по распространенности тип акустического оформления. ФИ более гуманен по отношению к излучению тыловой стороны диффузора. В фазоинверторе часть энергии, которая в закрытом ящике "ставится к стенке" используется в мирных целях. Для этого внутренний объем ящика сообщается с окружающим пространством тоннелем, заключающим в себе некоторую массу воздуха. Величина этой массы выбирается таким образом, чтобы, в сочетании в упругостью воздуха внутри ящика создать вторую колебательную систему, получающую энергию от тыльной стороны диффузора и излучающую ее куда нужно и в фазе в излучением диффузора. Такой эффект достигается в не очень широком диапазоне частот, от одной до двух октав, но в его пределах к.п.д. существенно возрастает.

Помимо более высокого к.п.д. фазоинвертор обладает еще одним важнейшим достоинством - вблизи частоты настройки значительно уменьшается амплитуда колебаний диффузора. Это может на первый взгляд показаться парадоксом - как наличие здоровенной прорехи в корпусе громкоговорителя может сдержать движение диффузора, но тем не менее это - факт жизни. В своем рабочем диапазоне фазоинвертор создает для динамика совершенно тепличные условия, причем точно на частоте настройки амплитуда колебаний минимальна, а большая часть звука излучается тоннелем. Допустимая подводимая мощность здесь максимальна, а искажения, вносимые динамиком - наоборот, минимальны. Выше частоты настройки тоннель становится все менее и менее "прозрачным" для звуковых колебаний, за счет инерции заключенной внутри него воздушной массы, и громкоговоритель работает как закрытый. Ниже частоты настройки происходит обратное: инерция отннеля постепенно сходит на нет и на самых низких частотах динамик работаеи практически без нагрузки, то есть как будто его вынули из корпуса. Амплитуда колебаний быстро возрастает, а вместе с ней и риск выплевывания диффузора или повреждения звуковой катушки от удара о магнитную систему. В общем, если не предохраняться, поход за новым динамиком становится реальной перспективой.

Средством предохранения от таких неприятностей, помимо осмотрительности в выборе уровня громкости, служит использование фильтров инфранизких частот. Отрезая часть спектра, где все равно никакого полезного сигнала не содержится (ниже 25 - 30 Гц), такие фильтры не дают диффузору идти в разнос с риском для собственной жизни и Вашего бумажника.

Фазоинвертор существенно более капризен к выбору параметров и настройке, поскольку выбору, под конкретный динамик, подлежат уже три параметра: объем ящика, поперечное сечение и длина тоннеля. Тоннель очень часто делают так, чтобы у уже готового сабвуфера можно было регулировать длину тоннеля, меняя частоту настройки.

Полосовой громкоговоритель -bandpass.

Третий тип сабвуфера, довольно часто используемый в автоустановках (хотя и реже, чем два предыдущих) - полосовой громкоговоритель. Если закрытый ящик и фазоинвертор - акустические фильтры верхних частот, то полосовой, как и вытекает из названия - объединяет в себе фильтры верхних и нижних частот. Простейший полосовой громкоговоритель - одинарный 4-го порядка (single vented). Он состоит из закрытого объема, т.н. задней камеры и второго, снабженного тоннелем, как у обычного фазоинвертора (передняя камера). Динамик установлен в перегородке между камерами так, что обе стороны диффузора работают на полностью или частично замкнутые объемы - отсюда и термин "симетричная нагрузка".

Из традиционных конструкций полосовой громкоговоритель, в любом варианте - чемпион по эффективности. При этом эффективность прямо связана с шириной полосы пропускания. Частотная характеристика полосового громкоговорителя имеет вид колокола. Путем выбора соответствующих объемов и частоты настройки передней камеры, можно построить сабвуфер с широкой полосой пропускания, но органиченной отдачей, то есть колокол будет низким и широким, а можно - с узкой полосой и очень высоким к.п.д. в этой полосе. Колокол при этом вытянется в высоту.

Бандпасс - капризная штука в расчете и самая трудоемкая в изготовлении. Поскольку динамик закопан внутри корпуса, приходится идти на ухищрения по сборке ящика так, чтобы наличие съемной панели не нарушало жесткости и герметичности конструкции. Импульсные характеристики тоже не из лучших, в особенности при широкой полосе.

Чем же это компенсируется? Прежде всего, как говорилось - высочайшим к.п.д. Во-вторых - тем, что весь звук излучается через тоннель, а динамик полностью закрыт. При компоновке такого сабвуфера открываются немалые возможности для установки его в автомобиль. Достаточно найти небольшое местечко на стыке багажника и салона, где может разместиться жерло тоннеля - и путь мощнейшим басам открыт. Специально для таких установок фирма JLAudio, например, выпускает гибкие пластмассовые рукава-тоннели, которыми она предлагает соединять выход сабвуфера с салоном. Вроде шланга пылесоса, только толще и жестче.

Теперь немного о головках

Прежде чем делать ящик для саба нужно выбрать головку, под которую, собственно, и будут рассчитаны его физические параметры. Для выбора динамика необходимо знать как можно больше его электромеханических параметров.

Абсолютный минимум данных это:
- Резонансная частота динамика Fs
- Полная добротность Qts
- Эквивалентный обьем Vas

Если же вы не знаете хотя бы одного из этих параметров а самому их измерить у вас нет возможности -браться за этот динамик не стоит. Ничего путного вы сделать, скорее всего, не сможете.

Резонансная частота (Fs)

Резонансная частота - это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется - динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик - массы подвижной системы и жесткости подвески.

Бытует мнение, что чем ниже резонансная частота, тем лучше выйдет сабвуфер. Это верно только отчасти, для некоторых конструкций излишне низкая частота резонанса - помеха. Для ориентира: низкая - это 20 - 25 Гц. Ниже 20 Гц - редкость. Выше 40 Гц - считается высокой, для сабвуфера.

Полная добротность (Qts)

Добротность в данном случае- не качество изделия, а соотношение упругих и вязких сил, существующих в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Подвижная система динамика во много сродни подвеске автомобиля, где есть пружина и амортизатор. Пружина создает упругие силы, то есть накапливает и отдает энергию в процессе колебаний, а амортизатор - источник вязкого сопротивления, он ничего не накапливает, а поглощает и рассеивает в виде тепла. То же самое происходит при колебаниях диффузора и всего, что к нему прикреплено. Высокое значение добротности означает, что преобладают упругие силы. Это - как автомобиль без амортизаторов. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Прыгать на той самой резонансной частоте, которая присуща этой колебательной системе. Применительно к громкоговорителю это означает выброс частотной характеристики на частоте резонанса, тем больий, чем выше полная добротность системы. Самая высокая добротность, измеряемая тысячами - у колокола, который в результате ни на какой частоте, кроме резонансной звучать не желает, благо еще, что этого от него никто и не требует.

Популярный метод диагностики подвески машины покачиванием - не что иное как измерение добротности подвески кустарным способом. Если теперь привести подвеску в порядок, то есть прицепить параллельно пружине амортизатор, накопленная при сжатии пружины энергия уже не вся вернется обратно, а частично будет загублена амортизатором. Это - снижение добротности системы. Теперь опять вернемся к динамику. Ничего, что мы туда-сюда ходим? Это, говорят, полезно-С пружиной у динамика все, вроде бы, ясно. Это - подвеска диффузора. А амортизатор? Амортизаторов - целых два, работающих параллельно. Полная добротность динамика складывается из двух: механической и электрической.

Механическая добротность определяется главным образом выбором материала подвеса, причем в основном - центрирующей шайбы, а не внешнего гофра, как иногда полагают. Больших потерь здесь обычно не бывает и вклад механической добротности в полную не превышает 10 - 15%. Основной вклад принадлежит электрической добротности.

Самый жесткий амортизатор, работающий в колебательной системе динамика - это ансамбль из звуковой катушки и магнита. Будучи по своей природе электромотором, он как и полагается мотору, может работать как генератор и именно этим и занят вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда перемещения звуковой катушки - максимальны.

Двигаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает ток, а нагрузкой для такого генератора служит выходное сопротивление усилителя, то есть практически - ноль. Получается такой же электрический тормоз, каким снабжены все электрички. Там тоже при торможении тяговые двигатели заставляют работать в режиме генераторов, а нагрузка их - батареи тормозных сопротивлений на крыше. Величина вырабатываемого тока будет, естественно, тем больше, чем сильнее магнитное поле, в котором движется звуковая катушка. Получается, что чем мощнее магнит динамика, тем ниже, при прочих равных, его добротность. Но, конечно, поскольку в формировании этой величины участвуют и длина провода обмотки, и ширина зазора в магнитной системе, окончательный вывод только на основании размера магнита было бы делать преждевременно. А предварительный - почему нет?- Базовые понятия - низкой считается полная добротность динамика меньше 0,3 - 0,35; высокой - больше 0,5 - 0,6.

Эквивалентный объем (Vas)

Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе "акустического подвеса". Концепция акустического подвеса заключается в установке динамика в такой объем воздуха, упругость которого сопоставима с упругостью подвеса динамика. При этом получается, что в параллель к уже имеющейся в подвеске пружине поставили еще одну. Эквивалентным объемом будет при этом такой, при котором веновь появившаяся пружина равна по упругости уже имевшейся. Величина эквивалентного объема определяется жесткостью подвеса и диаметром динамика. Чем мягче подвес, тем больше будет величина воздушной подушки, присутствие которой начнет беспокоить динамик.

То же происходит с изменением диаметра диффузора. Большой диффузор при одном и том же смещении будет сильнее сжимать воздух внутри ящика, тем самым испытывая большую ответную силу упругости воздушного объема. Именно это обстоятельство зачастую определяет выбор размера динамика, исходя из имеющегося объема для размещения его акустического оформления. Большие диффузоры создают предпосылки для высокой отдачи сабвуфера, но требуют и больших объемов. У эквивалентного объема интересные родственные связи с резонансной частотой, без осознания которых легко промахнуться. Резонансная частота определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем - диаметром диффузора и той же жесткостью.

В результате возможна такая ситуация: предположим, имеется два динамика одинакового размера и с одинаковой частотой резонанса. Но только у одного из них это значение частоты получилось вследствие тяжелого диффузора и жесткой подвески, а у другого - наоборот, легкого диффузора на мягком подвесе. Эквивалентный объем у такой парочки при всей внешней схожести может различаться очень существенно, и при установке в один и тот же ящик результаты будут драматически различны.

Итак, установив, что означают жизненно важные параметры, начнем наконец выбирать...

Нижняя граница воспроизводимого громкоговорителем диапазона частот определяется основной резонансной частотой головки. К сожалению, в продаже очень редко бывают головки, имеющие основную резонансную частоту ниже 60-80 Гц. Поэтому для расширения диапазона рабочих частот акустических систем весьма актуальной представляется возможность снижения основной резонансной частоты используемых в них головок. Как известно, подвижная система головки (диффузор со звуковой катушкой) в области основного резонанса представляет собой простую колебательную систему, состоящую из массы и гибкости подвеса. Резонансная частота такой системы определяется формулой:

Где m - масса диффузора, звуковой катушки и присоединенной массы воздуха, г, С - гибкость подвеса, см/дин.

Таким образом, чтобы снизить основную резонансную частоту головки необходимо увеличить либо массу диффузора и звуковой катушки, либо гибкость их подвеса, либо то и другое вместе. Наиболее просто увеличить массу диффузора, укрепив на нем дополнительный груз. Однако увеличивать массу подвижной системы головки невыгодно, так как это снизит не только резонансную частоту, но и создаваемое головкой звуковое давление. Дело в том, что сила F, создаваемая током I в звуковой катушке динамической головки, равна

Где B - магнитная индукция в зазоре, l - длина проводника звуковой катушки.

С другой стороны, согласно законам механики, эта сила равна F=m*a,гдеm - масса подвижной системы, a - колебательное ускорение.

Поскольку сила, приложенная к звуковой катушке, зависит для данной головки только от величины тока, то увеличив массу, мы во столько же раз уменьшим колебательное ускорение катушки и диффузора; а поскольку звуковое давление, создаваемое головкой в этой области частот, пропорционально ускорению диффузора, уменьшение ускорения равносильно снижению звукового давления. Если бы мы попытались вдвое снизить основную резонансную частоту головки, для этого потребовалось бы увеличить массу подвижной системы в четыре раза, и во столько же раз снизилось бы создаваемое головкой звуковое давление при неизменном токе в катушке. Кроме того, увеличение массы повысило бы добротность подвижной системы и увеличило резонансный пик, а с ним и неравномерность частотной характеристики, что, в свою очередь, ухудшило бы переходные характеристики громкоговорителя.

Следовательно, для снижения резонансной частоты головки целесообразнее увеличить гибкость подвеса диффузора и центрирующего диска, то есть уменьшить жесткость крепления подвижной системы. Делается это следующим образом. Прежде всего отклеивают или отрезают острым скальпелем или лезвием (по кольцу диффузородержателя) воротник диффузора. Затем отпаивают гибкие выводы звуковой катушки, отвинчивают кольцо центрирующего диска и гетинаксовый «паук» (если таковые имеются) или отклеивают центрирующий диск от диффузородержателя.

Гибкость центрирующего диска с гофрами увеличивают, прорезав в нем равномерно по окружности три-четыре конусообразных отверстия (см. рис. 1). Общая площадь этих отверстий должна составлять 0,4- 0,5 площади гофров центрирующего диска. Для зашиты магнитного зазора от пыли на вырезы или весь диск обычным резиновым клеем или клеем БФ-6 наклеивают марлю. Если звуковая катушка центрируется гетинаксовым (текстолитовым) "пауком", то гибкость увеличивают, уменьшая ширину его дужек (запиливая их напильником или осторожно обкусывая кусачками). После этого обрезают у диффузора часть краевого гофра, чтобы между краем диффузора и кольцом диффузородержателя был промежуток около 200 мм. Если при этом на краю диффузора остался гофр, то его расправляют на длине около 10 мм и приклеивают к нему подвес в виде дужек из павинола или мягкого текстовинила. Для увеличения гибкости по возможности следует удалить их текстильную или трикотажную подложку.

Очень гибкие и эластичные дужки можно изготовить с помощью кремнийорганического клея - герметика "эластосил" из тонких капроновых чулок. Голенище чулка разрезают вдоль и на полученном полотне шириной 24-28 см делают разметку (см. рис. 2). При разметке дужки должны быть расположены поперек чулка (см. рис. 2), поскольку эластичность чулка больше в продольном направлении. Затем, положив на какую-нибудь дощечку или толстый картон, кусок гладкой полиэтиленовой пленки, накладывают на нее чулочное полотно и закрепляют по краям кнопками или гвоздиками. После этого шпателем или торцом металлической линейки наносят на трикотаж «эластосил», так чтобы нити трикотажа не были видны. Через сутки (время полимеризации «эластосила») трикотаж переворачивают и наносят «эластосил» на другую сторону.

Для вырезания дужек следует изготовить картонный шаблон. Диффузор желательно подвесить не более чем на трех или четырех дужках так, чтобы каждая дужка занимала соответственно треть или четверть длины окружности диффузора. На дужках и на краю диффузора карандашом отмечают поверхности, которыми они должны быть склеены, ширина этих поверхностей должна составлять 7-10 мм. Готовые дужки намазывают поочередно клеем и приклеивают их к отмеченному краю диффузора «эластосилом» либо кремнийорганическим клеем КТ-30 или МСН-7. Дужки из павинола или текстовинила приклеивают поверхностью, где находился текстиль, клеем БФ-2, 88 или АВ-4. Рекомендуется предварительно проверить пригодность (соответствие) клея материалу, приклеив кусочек материала к плотной бумаге.

Стыки между дужками должны быть также склеены так, чтобы не было щелей. Лучше всего это сделать "эластосилом", у павиноловых или текстовиниловых дужек рекомендуется скрепить края нитками и залить-в несколько приемов обычным резиновым клеем.

Закончив подвес диффузора, его устанавливают в диффузородержатель так, чтобы звуковая катушка вошла в зазор. Затем укрепляют кольцо центрирующего диска и производят предварительную центровку звуковой катушки (до приклейки подвеса). Далее поочередно приклеивают к кольцу диффузородержателя дужки подвеса диффузора. Для отгибания дужек, при намазывании клеем кольца диффузородержателя, удобно использовать зажимы "крокодил" с вставленными в них однополюсными вилками (для тяжести). После подклейки подвеса производят окончательную центровку звуковой катушки и закрепляют кольца центрирующего диска или гетинаксового "паука". Если центрирующий диск не имеет металлического кольца и отклеен, то вначале приклеивают, подвес диффузора, а затем центрирующий диск, одновременно с этим центрируя звуковую катушку в зазоре. В последнюю очередь припаивают выводы звуковой катушки и приклеивают к диффузородержателю опорные дужки из картона, губчатой резины или войлока.

Если диффузор имеет трещину (разрыв), то ее лучше всего заклеить клеем "эластосил" или в несколько приемов залить, резиновым клеем.

Описанным способом удается снизить частоту основного резонанса головки в 1,5-2 раза. Для примера на рис. 3 приведены частотные характеристики полного сопротивления головки 4А-18 до (пунктир) и после переделки.

Эта головка изготовлена ленинградским заводом киноаппаратуры "Кинап" в 1954 году; переделка ее состояла в прорезании трех окон в центрирующем диске и замене краевого гофра павиноловыми дужками, причем текстильная подложка не удалялась. Резонансная частота снизилась со 105 Гц до 70 Гц, то есть в 1,5 раза. Любопытно отметить, что такое же снижение частоты резонанса дает дополнительный груз массой 25 г.

где т - масса диффузора, звуковой катушки и присоединенной массы воздуха, г;
С - гибкость подвеса, см/дин.

F=В*l*I,
где B - магнитная индукция в зазоре;
l - длина проводника звуковой катушки.

С другой стороны, согласно законам механики, эта сила равна

F=m*a,
где m - масса подвижной системы; a - колебательное ускорение.

Следовательно, для снижения резонансной частоты головки целесообразнее увеличить гибкость подвеса диффузора и центрирующего диска, то есть уменьшить жесткость крепления подвижной системы. Делается это следующим образом. Прежде всего отклеивают или отрезают острым скальпелем или лезвием (по кольцу диффузородержателя) воротник диффузора. Затем отпаивают гибкие выводы звуковой катушки, отвинчивают кольцо центрирующего диска и гетинаксовый <паук" (если таковые имеются) или отклеивают центрирующий диск от диффузородержателя.

Гибкость центрирующего диска с гофрами увеличивают, прорезав в нем равномерно по окружности три-четыре конусообразных отверстия (см. рис. 1). Общая площадь этих отверстий должна составлять 0,4- 0,5 площади гофров центрирующего диска. Для зашиты магнитного зазора от пыли на вырезы или весь диск обычным резиновым клеем или клеем БФ-6 наклеивают марлю. Если звуковая катушка центрируется гетинаксовым (текстолитовым) "пауком", то гибкость увеличивают, уменьшая ширину его дужек (запиливая их напильником или осторожно обкусывая кусачками). После этого обрезают у диффузора часть краевого гофра, чтобы между краем диффузора и кольцом диффузородержателя был промежуток около 200 мм. Если при этом на краю диффузора остался гофр, то его расправляют на длине около 10 мм и приклеивают к нему подвес в виде дужек из повинола или мягкого текстовинила. Для увеличения гибкости по возможности следует удалить их текстильную или трикотажную подложку.

Очень гибкие и эластичные дужки можно изготовить с помощью кремнийорганического клея - герметика "эластосил" из тонких капроновых чулок. Голенище чулка разрезают вдоль и на полученном полотне шириной 24-28 см делают разметку (см. рис. 2). При разметке дужки должны быть расположены поперек чулка (см. рис. 2), поскольку эластичность чулка больше в продольном направлении. Затем, положив на какую-нибудь дощечку или толстый картон, кусок гладкой полиэтиленовой пленки, накладывают на нее чулочное полотно и закрепляют по краям кнопками или гвоздиками. После этого шпателем или торцом металлической линейки наносят на трикотаж эластосил", так чтобы нити трикотажа не были видны. Через сутки (время полимеризации "эластосила") трикотаж переворачивают и наносят оластосил" на другую сторону.

Для вырезания дужек следует изготовить картонный шаблон. Диффузор желательно подвесить не более чем на трех или четырех дужках так, чтобы каждая дужка занимала соответственно треть или четверть длины окружности диффузора. На дужках и на краю диффузора карандашом отмечают поверхности, которыми они должны быть склеены, ширина этих поверхностей должна составлять 7-10 мм. Готовые дужки намазывают поочередно клеем и приклеивают их к отмеченному краю диффузора "эластосилом" либо кремнийорганическим клеем КТ-30 или МСН-7. Дужки из павинола или текстовинила приклеивают поверхностью, где находился текстиль, клеем БФ-2, 88 или АВ-4. Рекомендуется предварительно проверить пригодность (соответствие) клея материалу, приклеив кусочек материала к плотной бумаге.

при намазывании клеем кольца диффузородержателя, удобно использовать зажимы "крокодил" с вставленными в них однополюсными вилками (для тяжести). После подклейки подвеса производят окончательную центровку звуковой катушки и закрепляют кольца центрирующего диска или гетинаксового "паука". Если центрирующий диск не имеет металлического кольца и отклеен, то вначале приклеивают, подвес диффузора, а затем центрирующий диск, одновременно с этим центрируя звуковую катушку в зазоре. В последнюю очередь припаивают выводы звуковой катушки и приклеивают к диффузородержателю опорные дужки из картона, губчатой резины или войлока.

Вынудили меня взяться за перо. Сразу же оговорюсь, что я не ставлю цель быть судьей в последней инстанции, а просто решил свести в одно место различные варианты улучшения (и не совсем улучшения) ВЧ динамиков. При этом будут рассматриваться только варианты, связанные с понижением частоты основного резонанса. Выравнивание АЧХ и прочие улучшения в рассмотрение не принимаем.

Определим для себя некоторые критерии для оценки перспектив улучшения:

Улучшение не должно изменять внешний вид динамика.
В случае неудачного результата должна быть возможность отката на начальные позиции.
Вносимые изменения не нарушают аутентичность АС.
Хорошая повторяемость улучшения без значительных материальных затрат и необходимости проведения дополнительных измерений. Изменения должны быть продуманы с инженерной точки зрения – сделал и забыл.
Модернизация не должна завершиться потерей динамика.

На сегодняшний момент мне известно 5 вариантов решения проблемы резонанса:

Способ утонения диска подвеса.
Способ перфорации по .
Способ перфорации с применением иглы.
Увеличение внутреннего диаметра колец.
Использование фильтра, настроенного на частоту резонанса.

О каждом из сказано ниже в большей или меньшей степени.

В качестве более полного восприятия, на изображенном рисунке обозначены (начиная со средины):

Синее поле- купол динамика.
Сплошная синяя линия- внешняя граница гофра
Зеленые окружности- опорные кольца
Способ утонения диска подвеса

1. Способ утонения диска подвеса

Суть способа заключается в том, что осторожно соскабливается некоторый объем вещества с подвеса. В результате повышается гибкость подвеса и, как следствие, снижается частота резонанса. Рекомендуется для «шелковых» мембран. Для изделий из пластика утонение делать сложнее. Ширину утонения можно брать от внутреннего зеленого кольца (внутренний диаметр опорных колец) и до внешней границы гофра(синяя сплошная линия)- это идеальный вариант. На практике, сделать такую процедуру подручными средствами невозможно. Поэтому, будет технологичнее сделать утонение от края подвеса и до некой условной линии (на схеме синяя штрих-пунктирная)

За . Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде.

Против . Если сделать неравномерный съем материала, может нарушиться динамическая балансировка катушки в магнитном зазоре, могут появиться перекосы. Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.

Способ понижения частоты с помощью перфорации по своей сути не нов. Есть заводские импортные динамики, в которых используется этот способ. Применим к мембранам любого типа. Главная проблема этого способа – что делать с образовавшимися отверстиями и как минимизировать возможное их влияние на звуковую картинку. И второй момент, нарушается герметичность МС. Делать перфорацию я порекомендовал не выходя за пределы внутреннего диаметра кольца более, чем на 1,5 мм. А лучше в пределах ширины колец, чем обеспечится полная герметичность динамика при достигнутом снижении жесткости подвеса. Если же делать перфорацию на большую ширину, то думаю, что можно образовавшиеся отверстия заклеить кольцом из скотча, наклеив его по внешней поверхности.

За . Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде, если не считать перфорации.

Против : Процесс необратим. Перфорацию нужно проводить аккуратно, в пределах очерченных габаритов и с соблюдением симметрии. (если не прав, автор идеи поправит) Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.

3. Перфорация иголкой

Этот метод не нов, вычитал его еще в далекие 80-е в каком то журнале. Там рассматривался способ изготовления самодельного динамика для радиоприемника.

Суть метода заключается в том, что по окружности, начиная впритык к крепежным кольцам, в подвесе делаются отверстия иглой для шитья через определенное расстояние(на рисунке эти проколы условно изображены желтыми-оранжевыми точками). Затем отступив, примерно 1 мм, делается второй круг отверстий, но уже со сдвигом. Таких окружностей можно сделать 3-5.

Данный способ хорош для «шелковых» мембран – микроворсистость нитей перекрывает отверстия и, по сути динамик сохраняет свою герметичность.

За . Многочисленность проколов компенсирует ошибки при нарушении симметрии нанесения проколов, не нарушается герметичность динамика. Повторяемость выше среднего. Не требуется высокой квалификации, достаточно острого зрения и прямых рук.

Против . Процесс необратим. Для пластиковых мембран потребуется делать прожигание.

4. Увеличение внутреннего диаметра крепежных колец

В обсуждении указанной выше статьи я предлагал, как вариант, сделать кольца уже, что должно было бы снизить резонанс за счет увеличения гибкости подвеса. Правда, гложили меня смутные сомнения в этом вопросе. Однако порывшись в интернете, я обнаружил на одном из форумов, что идея с кольцами уже применялась! Люди обсуждали это в далеком уже 2010 году. И что самое поразительное, как указывает экспериментатор, проводивший сей эксперимент, достаточно, примерно, на 1 мм увеличить внутренний диаметр колец, чтобы частота резонанса ушла на 1,5 кГц! Таким образом, если изначальную ширину кольца (две зеленые окружности) уменьшить путем увеличения внутреннего диаметра (штриховая линия), то вопрос резонансной частоты решается в приемлемом диапазоне.

Дешево и сердито!

Думаю, что тут можно было бы поэкспериментировать и с материалом для колец: кожа, резина, ткани и другие эластичные материалы.

За и против