Измерение параметров Тиля-Смолла

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

* Вольтметр
*Генератор сигналов звуковой частоты
*Частотомер
* Мощный (не менее 2 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
*Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
* Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение (например, это), способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности. Либо мне еще приходилось делать так, когда не было рядом компьютера: я нарезал на диск треки с частотами от 20-120Гц, потом крутил его на DVD подключенный усилителю и затем уже подключал подвешенный динамик через сопротивление.




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 (усилителя) НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Определение Fs и Rmax.
Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве, обычно его подвешивают (обычно на люстре) подальше от стен и различныз предметов. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно увеличивайте частоту генератора, начиная примерно с 20Гц, 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.

Определение Qms, Qes и Qts.
Эти параметры определяются по следующим формулам.





Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2. 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.

Определение сопротивление обмотки головки постоянному току Re.
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.

Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: резистор на 1кОм и - генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию. Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать). Подключаем вольтметр к точкам А и С (т.е. к выходу усилителя) , и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.
Подключаем вольтметр к точкам В и С (т.е. непосредственно к контактам динамика) и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, (как показано на рисунке ниже). Это и есть частота собственного резонанса динамика Fs. Записываем Fs и Us-показания вольтметра.

Изменяя частоту вверх относительно Fs, находим частоты, на которых показания вольтметра постоянны и значительно меньше Us (при дальнейшем повышении частоты напряжение опять начнет увеличиваться, пропорционально увеличению импеданса динамика). Запишем это значение, Um.


График импеданса динамика в свободном пространстве и в закрытом ящике выглядит приблизительно так.



Вычисляем напряжение U12 по формуле:

Изменяя частоту, добиваемся показаний на вольтметре соответствующие напряжению U12 , находим частоты F1 и F2.

Вычисляем акустическую или механическую добротность по формуле:

Электрическую добротность:

И, на конец, полную добротность:

Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: калибровочного резистора Rk номиналом 10 Ом и активное сопротивление R, задающее ток в цепи, номиналом 1кОм. Можно взять сопротивления Rk и R других номиналов, выполняя условия:

- Rk - может быть любым, но близким к Re

- R/Re > 200

где Re - сопротивления постоянному току звуковой катушки.
Измерения начинаются с наиболее точного определения сопротивления постоянному току звуковой катушки Re и калибровочного резистора Rk при помощи цифрового вольтметра или мультиметра.
Затем вместо динамика включаем калибровочный резистор Rk и измеряем напряжение Uk на нем. Напряжение, соответствующее сопротивлению звуковой катушки постоянному току, находим по формуле:


Далее подключаем подвешенную, как можно дальше от других предметов, головку вместо калибровочного резистора. Плавно меняя частоту генератора, находим значение собственной резонансной частоты головки fs, при которой показания вольтметра максимальны. Для повышения точности расчетов это и все последующие измерения проводим пять раз и в качестве результата принимаем среднее арифметическое значение измеренных величин.






Далее вычисляем U1,2 по следующей формуле U1,2=0.7Us

Предположительно это напряжение соответствуют максимальной крутизне кривой [Z]. Далее определяем частоты f1, f2 ниже и выше резонансной, при которых напряжение на головке равно вычисленному U1,2. Поскольку кривая модуля полного электрического сопротивления [Z] симметрична в логарифмическом масштабе, то можно сделать первую проверку выполненных измерений.

Расхождение с ранее измеренной частотой резонанса должно быть не более 1-1,5 Гц.

Теперь можно найти Q’ms , Q’es.


Далее помещаем головку в ФИ ящик. Настройка тоннеля значения не имеет или его вообще может не быть - только отверстие диаметром примерно 5 см. При выборе объема измерительного ящика можно воспользоваться рекомендациями, которые дает JBL SS.
Убеждаемся, что характеристика [Z] имеет вид как на рисунке приведенном ниже. Возникающие в некоторых случаях дополнительные максимумы и минимумы свидетельствуют о наличии щелей или воздушных пазух.



Находим частоты fl, fb, fh, соответствующие максимуму и минимуму показаний вольтметра. Отмечаем также напряжение Ub в минимуме на частоте fb.
Резонансная частота головки с учетом присоединенной массы воздуха при работе в ФИ:

За счет увеличения соколеблющейся массы резонансная частота fs должна понизиться. Здесь можно провести еще одну проверку. Частоты fs и f’s должны различаться не более чем на 5-10%. Эквивалентный объем подвижной системы головки и уточненные значения добротности находим по следующим формулам.



Формула для расчета полной добротности Qts справедлива только при работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением.

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.

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.

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.

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.

Определение относительной жесткости описано в методике определения эквивалентного объема Vas методом добавочного массы (см. выше), и вычисляется по формуле: м/Н (метров/Ньютон) где:

М – масса грузика, г;
Fs – резонансная частота головки, Гц;
F’s – резонансная частота головки в нагруженном состоянии под грузом М, Гц;

Сопротивление головки постоянному току Re определяется на частоте близкой к 0 Гц или измеряется и непосредственно омметром.

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.

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

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

Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитать и саму индуктивность по формуле: