Основы создания акустических систем

Основы создания акустических систем

Во всех проектах, представленных в предыдущих главах, проектировочные работы были представлены «за кулисами». Это потому, что для непосвященных наука создания акустических систем может быть сложной, и большая часть ее до сих пор считается «искусством». Хоть я и не претендую на звание авторитетного специалиста в данной области, в настоящей главе я попытаюсь поделиться с Вами частью собственного опыта. Мое повествование примет форму сокращенной дорожной карты с практическими указателями, облегчающими путь для тех, кто действительно хочет узнать больше о создании акустических систем. Однако, для того, чтобы по-настоящему вникнуть в суть дела, Вам придется почитать специализированную литературу, поэтому по мере продвижения я буду давать ссылки на различные литературные источники. По моему мнению, одна из лучших книг по практическому созданию акустических систем это «The Loudspeaker Design Cookbook» Вэнса Дикасона. Ранние издания журнала Speakerbuilder также являются источником полезной информации.

Частью работы по созданию акустики является проведение основных электрических и акустических измерений. Я попытаюсь показать Вам, как это можно сделать с минимальным набором оборудования, наименьшими затратами и душевными расстройствами. После выполнения всех измерений необходимо перейти к вычислениям. Наиболее простой для этого способ – использовать персональный компьютер и специальную программу по созданию акустических систем. Если Вы создадите (или приобретете) разделительный фильтр, Вы сможете предсказывать итоговые характеристики и принимать наилучшие решения по выбору акустических систем в Вашем конкретном случае.

Параметры Тейла-Смолла

Это группа параметров, введенных A.N. Thiele и позднее R.H. Small, при помощи которых можно полностью описать электрические и механические характеристики средне- и низкочастотных головок громкоговорителей, работающих в компрессионной области, т.е. тогда, когда в диффузоре не возникают продольные колебания и его можно уподобить поршню. Эти параметры совершенно необходимы при проектировании высококачественных сабвуферов. До введения данных параметров, акустические системы создавались методом проб и ошибок.

При просмотре практически любого каталога по акустическим системам Вы найдете параметры Тейла-Смолла, указанные для каждой системы. Издательства, выпускакющие каталоги, где данные параметры не указываются, просто не хотят запутывать людей. Вместо параметров Тейла-Смолла они просто указывают спецификации корпуса – едва ли соизмеримая замена на мой взгляд.

Узнайте параметры Тейла-Смолла для Вашего динамика – это будет хорошим почином всей работы, однако некоторые отклонения при создании системы могут привести к изменению параметров на 25%. Поэтому, если Вы сначала построите корпус без измерений параметров динамика, система может разбалансироваться, что приведет к искажениям в АЧХ. Как создатели акустических систем, мы должны уметь снимать точные измерения параметров Тейла-Смолла. Для этого мы должны измерять сопротивление постоянному току звуковой катушки динамика и импеданс переменного тока для заданной частоты. Считайте импеданс сопротивлением потоку переменного тока, которое изменяется с частотой. И, в отличие от сопротивления постоянному току, у него есть и размер и угол фазы, т.е. ток обычно не находится в фазе с напряжением, и количество опережения или отставания по фазе варьируется вместе с частотой.

Измерение импеданса

На схеме 8-1 показана тестовая установка для измерения импеданса акустической колонки. Данная установка оснащена переключателем, который упрощает процесс измерения, а результаты при этом получаются более точными. Переключатель должен быть высокого качества и у него должно отсутствовать контактное сопротивление для получения точных показаний. Вы также можете использовать предлагаемую нами процедуру без переключателя, но Вам тогда придется несколько раз переставлять выводы мультиметра.

*Генератор сигналов с частотомером

Выключатель SPDT

Тестируемый динамик

Цифровой мультиметр

Стенд*

Схема 8-1 Схема тестирования импеданса

В необходимый набор оборудования входит генератор сигналов, частотомер (желательно встроенный в генератор сигналов), мультиметр, резистор 0,5Вт на 1 КОм (желательно однопроцентная точность), ассортимент резисторов однопроцентной точности, используемых для проверки калибровки. Согласно схеме 8-1 генератор сигналов подключается к входным выводам A и B. Тестируемый динамик подключается к выводам D и E. Положительный (красный) вывод мультиметра подключается к выводу D и отрицательный (черный) вывод подключается к выводу C. Однополюсный, перекидной выключатель позволяет переключать черный вывод между выводами A и E.

Процедура калибровки

1. Вместо динамика подключите прецезионный резистор известного номинала через выводы D и E.

2. Установите генератор гармоник и включите его. Установите частоту 3- Гц.

3. Установите мультиметр так, чтобы он мог считывать напряжение переменного тока. Выключатель должен замыкать цепь с выводом А, отрегулируйте выходные сигналы генератора для получения значений в милливольтах, которое должно соответствовать значению резистора вольтметра. Например, если номинал резистора вольтметра равен 1 кОм, установите генератор на 1000 мВ или 1.0 В.

Примечание:

Дайте оборудованию поработать приблизительно 15 минут для стабилизации температур и напряжений перед тем, как перейти к следующему шагу.

4. Поверните переключатель к выводу E. Показание в милливольтах должно соответствовать сопротивлению тестового резистора в Омах. Например, если номинал тестового резистора равен 10 Ом, показания мультиметра должны составить 10 мВ или 0.010 В. Если показания не соответствуют норме, отрегулируйте генератор сигналов так, чтобы Вы получали точные показания.

5. Без каких-либо дальнейших настроек сбросьте переключатель на вывод A и зарегистрируйте точные показания. Например, если Вы используете последовательный резистор номиналом 1 кОм, напряжение может составить 995 или 1005 мВ.

6. Выполните шаги 4 и 5 с разными калибровочными резисторами с номиналами от 4.7 до 100 Ом. После замены резистора переместите переключатель к выводу E и снова отрегулируйте генератор сигналов так, чтобы Вы получали показания, соответствующие номиналу тестового резистора. Переместите переключатель к выводу A и зарегистрируйте точные показания в милливольтах.

7. После использования всех тестовых резисторов возьмите средние значения показаний последовательных резисторов в шагах 5 и 6. Если Ваш мультиметр и тестовая установка работают надлежащим образом, в показаниях между разными калибровочными резисторами могут быть лишь незначительные различия. Запишите данное значение на тестовой схеме для его использования во время всех будущих измерений. Далее мы будем называть его «калибровочным значением».

Определение

Перед тестированием нового динамика Вы должны его хорошо «прокачать» для разминки подвески. Для этого подключите динамик к генератору сигналов и подайте несильный сигнал частотой около 30 Гц. Если у Вашего генератора сигналов не хватает выходной мощности для произведения видимого движения диффузора, Вам придется усилить сигнал. Вслушивайтесь в каждый необычный шум, который мог бы указывать на перегрузку динамика. Если Вы услышали что-то подобное, понизьте уровень сигнала. Динамик необходимо «прокачивать», по крайней мере, в течение часа.

Общая форма кривой динамического импеданса динамика показана на схеме 8-2. Резонансный максимум приходится на частоту ; после короткого ровного отрезка кривая поднимается вверх по мере увеличения частоты, прежде всего, вследствие индукции звуковой катушки.

*Импеданс (Ом)

Частота (Гц)*

Схема 8-2

Обычная кривая импеданса громкоговорителя

1. Мы начнем с измерения сопротивления постоянному току звуковой катушки динамика. Данное значение регистрируется, как .

• Значения низкого сопротивления тяжело получить с помощью дешевого мультиметра. Если показание мультиметра соответствуют номиналу калибровочного резистора, смело переходите к следующим шагам.
• Для всех примерочных тестов мы будем использовать каталог Radio Shack № 22-174B.

2. Затем мы должны подвесить динамик вертикально в свободном пространстве с помощью веревки и подключить его к цепи, показанной на схеме 8-1. (Для получения более точных измерений динамика в условиях его монтажа, проведите тест, установив динамик на доску с соответствующими размерами.) Установив переключатель на вывод E, отрегулируйте частоту генератора сигналов для показания мультиметром предельного напряжения переменного тока.

3. Переместите переключатель на вывод A и отрегулируйте генератор сигналов, пока показания мультиметра не будут соответствовать калибровочным показаниям, полученным в шаге №7.

4. Переместите переключатель к выводу E и измените частоту вверх и вниз по диапазону для подтверждения точки максимального импеданса. Зарегистрируйте частоту данного предельного напряжения, как , а максимальный импеданс.

5. Вычислите :

(8-1)

6. Вычислите :

(8-2)

7. Обратитесь к схеме 8-2. Понизьте частоту генератора сигналов до точки, в которой импеданс равен . Для большей точности показаний нам придется повторно откалибровать на более низком импедансе.

8. Переместите переключатель к выводу A и отрегулируйте генератор сигналов так, чтобы показания мультиметра соответствовали калибровочному значению.

9. Переместите переключатель обратно к выводу E и отрегулируйте частоту таким образом, чтобы показания мультиметра соответствовали значению . Это будет точным положением частоты. Зарегистрируйте частоту в данной точке.

Примечание:

Вы можете проверить калибровку системы, переместив переключатель к выводу A. Показания мультиметра едва ли должны измениться. Если же они отличаются, повторно отрегулируйте генератор сигналов для получения калибровочного значения и повторите шаг №9.

10. Затем медленно повышайте частоту, пока импеданс не будет снова равен . Не забудьте повторно откалибровать значение перед снятием последних показаний. Зарегистрируйте данную частоту,.

11. Если Ваша система измерений точна, должно равняться в пределах одного процента. Если оно отличается на 1 или 2 Гц, Вы допустили ошибку в измерениях системы и должны попытаться найти причину до продолжения процедуры.

12. Вычислите (механический компонент, измеренный в свободном пространстве):

(8-3).

13. Вычислите (электрический компонент, измеренный в свободном пространстве):

(8-4).

14. Вычислите (общее значение, измеренное в свободном пространстве):

(8-5).

Определение

Третий параметр Тейла-Смолла относится к податливости. Говоря самыми простыми словами, это относительное количество воздуха, которое будет вымещено динамиком. Чем больше значение данного параметра, тем больше объем корпуса может понадобиться для динамика. Всем известно, что получить точное значение весьма нелегко. В литературе предлагаются для этого три способа. Первые два требуют построения тестового корпуса с заданным объемом. Так называемый «метод добавленной массы» не требует тестового корпуса. Он предполагает добавление нагрузки известной массы к диффузору динамика и измерение различия между резонансной частотой в свободном пространстве с нагрузкой и без нее. Точность данного метода в основном зависит от точности измерения Вами эффективной площади рабочей поверхности динамика. Для маленьких динамиков окружающая среда усложняет измерение процентного отношения перемещаемой площади к площади диффузора.

Первый метод кажется самым простым, обычно его называют «метод закрытого ящика. Он заключается в прямом измерении «значения эквивалентной упругой среды» и базовым изменением резонансной частоты, связанной с колебаниями известного объема воздуха в закрытом корпусе. На схеме 8-3 показаны рекомендованные объемы для динамиков различных размеров. Для обеспечения точности тестовый корпус должен вызывать повышение резонансной частоты приблизительно на 25 процентов. Для вычисления используйте следующее уравнение:

(8-6)

Где = объем тестового корпуса

= резонансная частота динамика и тестового корпуса

= электрическое динамика и тестового корпуса

*Сигналы генератора

Тестируемый динамик

Герметичный тестовый корпус

Размер динамика

Рекомендованный объем корпуса (ft³)*

Схема 8-3 Метод «закрытого ящика» для измерения

(8-6)

где = объем тестового ящика

= резонансная частота динамика и тестового ящика

= электрическое значение динамика и тестового ящика

Применение

В качестве примера мы протестируем динамик Madisound 5502R-4, который будем использовать в экспериментальной двухкомпонентной системе. Это полипропиленовый низкочастотный динамик диаметром 5 ¼ дюйма с номинальным импедансом 4 Ом.

Я подключил к динамику «пищалку» Vifa D26NC-05-06 и закрепил их на монтажной крышке. Затем монтажную крышку с динамиками я установил на тестовый стенд (рисунок 8-1). Через час «прокачивания» динамика, я выполнил следующие измерения с помощью тестовой схемы 8-1:

Полученные значенияОфициальные спецификации

(Ом)3.63.64

(Гц)54.948

3.722.89

0.530.47

0.460.40

Рисунок 8-1

За исключением все измеренные параметры немного отличаются от официальных спецификаций, однако, не выходят за пределы производственного допуска.

Для измерения я установил басовый динамик в тестовом ящике объемом 6,1 л (рисунок 8-2); резонансная частота повысилась с 54.9 до 81.0 Гц, а значение повысилось от 0.527 до значения 0.835 в закрытом пространстве.

Рисунок 8-2

При помощи мы вычисляем. Оно равно 8.22 л, что значительно меньше заявленного значения, которое равно 13.8 л. С более высоким значением это вполне ожидаемо.

С данными параметрами компьютерная программа по созданию акустических систем Speakerbuilder вычислила урезание низких частот (в точке - 3 дБ) для данного динамика, установленного на доске в свободном пространстве (85 Гц). Программа Speakerbuilder распространяется условно бесплатно, ее можно скачать из интернета. Программа очень удобна для вычисления параметров акустических систем. На схеме 8-4a показан график, полученный с помощью данной программы.

Схема 8-4a

Ожидаемый отклик динамика Madisound 5502R-4 в свободном пространстве. Уровень звукового давления был вычислен на расстоянии 1 м с входным напряжением 2.83 В.

На схеме 8-4b показан ожидаемый отклик тестового динамики в корпусе с фазоинвертором (объем корпуса 13.88 л, частота - 44.5 Гц). Точка -3 дБ находится на частоте 39.5 Гц, что превосходно для громкоговорителя диаметром 5 ¼ дюйма. В надлежащей акустической среде, данный динамик должен показать очень хорошие технические характеристики.

*дБ

Общее значение

Динамик

Фазоинвертор*

Схема 8-46

Ожидаемый отклик динамика Madisound 5502R-4. Уровень звукового давления был вычислен на расстоянии 1 м с входным напряжением 2.83 В. Динамик установлен в фазоинверторном корпусе объемом 13.88 л. Частота корпуса 44.5 Гц.

Создание двухкомпонентного кроссовера

Создание пассивных кроссоверов, без сомнения, наиболее трудная задача для новичков. Компьютерные программы, конечно же, упростили данный процесс, но данные средства все равно остаются дорогостоящими. С некоторым волнением я попытаюсь представить Вам экономически выгодный способ создания весьма неплохого кроссовера.

Проектировка кроссовера намного проще, чем это может показаться. Обобщая, вот шаги данной процедуры:

1. Измерьте параметры Тейла-Смолла для басового динамика.

2. Спроектируйте цепь компенсации импеданса для динамиков.

3. Установите динамики на обычную монтажную крышку.

4. Измерьте относительные чувствительности динамиков на частоте кроссовера и на выбранных частотах (высоких и низких).

5. Измерьте импеданс динамиков на частотах, выбранных в 4 шаге.

6. Вычислите значения компонентов цепи кроссовера.

Если Вы устанавливаете динамик в свободном пространстве (на дверной панели), Вы можете даже пропустить первый шаг, поскольку он не повлияет на дальнейший процесс создания кроссовера.

Процедура создания кроссовера

1. Припаяйте провода длиной около метра к выводам каждого тестируемого динамика.

2. Установите динамики на большую доску или в корпус, который Вы собираетесь использовать. При использовании корпуса выведите всю проводку наружу через герметичные отверстия и установите корпус на стенд в 0.6 – 1.0 м от пола.

3. Первый шаг в процессе создания кроссовера – спроектировать цепь компенсации импеданса динамика. Возвращаясь к схеме 8-2, мы вспомним, что подъем кривой импеданса был связан с индукцией звуковой катушки. Если это не будет сбалансировано, кроссовер не будет работать надлежащим образом – динамик будет выдавать такой же подъем, приближаясь к точке кроссовера. Мы можем это компенсировать, последовательно установив резистор и конденсатор на выводах динамика, что показано на схеме 8-5, как . Это также называется цепью «Zobel». Есть некоторые правила для вычисления значений, однако, для получения наиболее плоского импеданса Вам понадобится немного поэкспериментировать. Одни авторы рекомендуют выставить значение равным номинальному импедансу динамика – 4 Ом в данном случае, другие утверждают, что должно быть равно. Учитывая все это, я использовал один четырехомный резистор.

* «Пищалка»

Vifa D26NC-05-06

Низкочастотный динамик

Madisound 5502R-4*

[для верстальщиков: все «Theo.» заменить на «Теор.», все «Actual» - на «Действ.»]

Схема 8-5 Двухкомпонентная экспериментальная система с кроссовером третьего порядка.

Значение можно с легкостью измерять методом проб и ошибок, если у Вас есть набор неполяризованных конденсаторов. Поскольку на моем компьютере установлена программа LspCAD 3.10, и я знаю значение индукции звуковой катушки, я ввел необходимые цифры и получил значение 30. Пустив данные сигналы на выводы динамика, я выполнил проверку импеданса, повышая и понижая частоты до 6 кГц. Импеданс получился ровным в пределах пяти процентов.

4. Когда импеданс динамика будет выровнен, мы сможем приступить к измерению чувствительностей каждого компонента, относящегося друг к другу на частоте кроссовера, которую мы заблаговременно выбрали для системы.

Примечание:

• В двухкомпонентной системе у Вас будет наиболее широкая дисперсия и потому, наиболее широкую звуковую сцену можно получить путём пропускания через «пищалку» наиболее низкой частоты, насколько это возможно. Это, правда, ограничено параметрами динамиков. При установке слишком низкой точки кроссовера их легко можно повредить. Наилучший способ избежать этого - придерживаться инструкций производителя динамиков. По меньшей мере, точка кроссовера должны быть в два раза больше резонансной частоты «пищалки» в свободном пространстве.
• Повышение порядка кроссовера позволит Вам установить более низкую точку кроссовера, поскольку более крутой спад блокирует больше низкочастотных сигналов. Журнал Speakerbuilder рекомендует использовать кроссоверы третьего порядка, один из которых я и выбрал для нашего эксперимента.
• Наиболее простой и дешевый способ измерять уровни звукового давления заключается в использовании шумомеров.
• Расположите шумомер посередине между низкочастотным и высокочастотным динамиками. Для снижения акустических помех комнаты установите двухкомпонентную систему на расстоянии 0.46 м. Для трехкомпонентной системы Вам придется увеличить расстояние в два раза.
• Для воспроизведения тестовых сигналов Вам понадобиться генератор сигналов. Также приобретите мультиметр, который смог бы измерять напряжения при частоте в несколько тысяч Гц и какой-нибудь, усилитель.

Для измерения относительной чувствительности динамиков, установите частоту генератора сигналов на частоту кроссовера и отрегулируйте выходной уровень напряжения до промышленного стандарта – 2.83 В. Подсоедините динамик к усилителю и повторно отрегулируйте выходной уровень напряжения генератора до 2.83 В.

*Генератор сигналов с частотомером

Усилитель

Шумомер

Цифровой мультиметр

Монтажная доска*

Схема 8-6 Установка для тестирования относительной чувствительности

Проверьте показания шумомера на расстоянии во избежание создания помехи для измерения. Зарегистрируйте уровень звукового давления для динамика. Без каких-либо дальнейших регулировок отключите низкочастотный динамик и подключите «пищалку». Проверьте напряжение усилителя и отрегулируйте выходные сигналы генератора для поддержания напряжения усилителя на уровне 2.83 В. Зарегистрируйте показания шумомера для «пищалки».

Понизьте частоту генератора сигналов на 500 Гц ниже точки кроссовера и повторите вышеуказанные измерения. Еще раз осуществите измерения для 1 кГц выше точки кроссовера.

Теперь выведите среднее значение из показаний, сравните разницу показаний и зарегистрируйте данное значение. Если Вы подобрали правильные детали, у высокочастотного динамика будет такая же чувствительность, как и у низкочастотного. Обычно, она выше на 2-3 дБ. Если чувствительность высокочастотного динамика ниже, чем у низкочастотного динамика, значит, оба динамика не сочетаются.

5. Подключите схему измерения импеданса (8-1) и аккуратно измерьте импеданс в каждой точке измерения частоты/чувствительности. Отрегулируйте регулятор сигналов на точку измерения частот, подключите низкочастотный динамик, откалибруйте цепь измерения импеданса, измерьте и зарегистрируйте импеданс. Отсоедините низкочастотный динамик и подсоедините «пищалку», не изменяя частоту. Повторно откалибруйте и измерьте импеданс высокочастотного динамика.

Для своих двух тестовых динамиков я выполнил следующие измерения, установив цепь «Zobel»:

6. До этой минуты мы были сфокусированы на характеристике действительных параметров динамиков. Мы определили относительную разницу в чувствительностях между нашими динамиками и также вычислили их средний импеданс при приближении к точке кроссовера. По сравнению с этим вычисление значений компонентов кроссовера почти что безделица. Специальные компьютерные программы (например, Speakerbuilder или Blaubox) вычислят их без проблем (для этого необходимо ввести значения необходимой частоты кроссовера и импеданса динамика на данной частоте). Я выбрал 4.3 Ом для импеданса динамика и 5.0 Ом для «пищалки» и получил значения, показанные на схеме 8-5 для точки кроссовера в 3 кГц.

«Лабораторные» схемы кроссовера и динамики показаны на рисунке 8-3.

Рисунок 8-3

Полученный отклик

Итак, вот он, момент истины…На схеме 8-7a показан измеренный отклик системы на тестовом стенде с микрофоном, размещенным по середине между низкочастотным и высокочастотным динамиками на расстоянии 0.46 м. За исключением единственного спада на -6 дБ при 250 Гц, все остальное +/- 3 дБ от 80 Гц до 20 кГц. Однако, рассматривая отклик «пищалки», на графике больше точек выше 0 дБ, чем ниже, что на самом деле вполне ожидаемо, поскольку средние значения чувствительности указывают на то, что «пищалка» на 2.6 дБ «горячее», чем низкочастотный динамик.

Схема 8-7a

Полученный частотный отклик динамиков Madisound 5502R-4 и Vifa D26NC-05-06 в двухкомпонентной системе с кроссовером третьего порядка. Без резистивного делителя «пищалки».

Схема 8-7a

Полученный частотный отклик динамиков Madisound 552R-4 и Vifa D26NC-05-06 в двухкомпонентной системе с кроссовером третьего порядка. С резистивным делителем «пищалки».

Один из способов понизить мощность «пищалки» - вставить последовательный резистор. Однако, если мы сделаем только это, импеданс ВЧ головки повысится, что изменит частоту кроссовера «пищалки», что не очень хорошо. Нам нужно найти способ понизить мощность «пищалки», не изменив нагрузку импеданса. Для этого потребуется дополнительный инструмент – L-pad (Г-аттенюатор).

The L-pad состоит из двух резисторов: один, последовательно подключенный к динамику , который выполняет затухание, и подключенный параллельно с динамиком.