Добротність динаміка: формула розрахунку, як знизити або підвищити добротність динаміка

Будь-який динамік, по суті, є коливальною системою. Виходячи з цього, і виробляються практично всі розрахунки параметрів подібних звукоизлучателей. Однією з найважливіших характеристик сучасних динаміків є показник добротності. Цей параметр вказує перш за все на якість пристроїв цього різновиду.

Що за характеристика

Отже, добротність Динаміка-що це за показник? Орієнтуючись на цю характеристику, можна в першу чергу визначити, як загасають коливальні рухи звуковипромінювачів. Вважається, що занадто великим цей показник у головок бути не повинен.

Якщо значення добротності у Динаміка високе і дорівнює, наприклад, 2 або 3, значить, коливання в ньому триватимуть навіть вже після того, як зникне викликала їх сила. Це, звичайно, призведе до зниження якості звуку. У динаміці почнуть виникати дратівливі слух шумові ефекти.

При низькій добротності (менше 1) коливання в пристрої загасають дуже швидко. Тобто мембрана в динаміці після різкого впливу практично відразу приходить в стабільний стан. В результаті пристрій видає більш чистий і приємний для слуху звук. Відповідно, про те, як підвищити добротність Динаміка, фахівці замислюються рідко. В основному при конструюванні акустичних систем майстри намагаються зробити цей показник більш низьким.

Точне визначення

Добротність Динаміка — що це таке, ми в загальних рисах з`ясували. Якщо говорити точніше, являє собою ця характеристика параметр, який вказує на те, у скільки разів запаси енергії в розглянутій коливальної системі перевищують її втрати при зміні фази на 1 радіан. Саме таким чином добротність може бути визначена з точки зору фізики.

Де в динаміці концентруються запаси енергії

При подачі на головку сильного синусоїдального сигналу запаси енергії будуть концентруватися в першу чергу в розтягнутих пружинах, при загасаючих коливаннях прагнуть повернути DIV в центральне положення. DIV у сучасних динаміків може мати різну вагу. Відповідно, і пружини в конструкції звуковипромінювача використовуються неоднаковою жорсткості. Тобто чим важче динамік, тим більше в ньому є запасів енергії.

Втрати енергії динаміком

Пристрої цього типу призначені в першу чергу для випромінювання звуку, що сприймається людським вухом. Передача таких коливань в навколишнє середовище і є втратами енергії Динаміка. Однак ККД у сучасних динаміків зазвичай дуже низький. Тому на частку передачі звуку припадає лише невелика частина витрати пристроєм енергії. Зазвичай таким шляхом відбувається менше 1% всіх втрат.

Витрата на звукові коливання в динаміці є найважливішим показником. Адже саме для передачі звуку такі пристрої і конструюються, і виробляються. Але все ж набагато більше втрат в такому обладнанні є чисто механічними. Дуже багато енергії в таких пристроях витрачається на тертя:

• в підвісах;

• у магнітному зазорі;

• про повітря і пр.

Самий же велика витрата енергії в динаміках відбувається в їх моторі. Працюють сучасні пристрої цього типу за принципом невеликих генераторів, що створюють досить-таки великий опір.

Співвідношення запасів і втрат

Таким чином, динамік, який має досить потужні пружини і важку зрушення, буде накопичувати багато енергії. Відповідно, і її кількість в пристрої значно перевищить втрати. Такий динамік може вважатися високодобротним. Коливання в ньому будуть загасати повільно. У легкому пристрої з не особливо потужними пружинами енергії накопичується менше. Відповідно, показник відносини між наявною і витраченої енергією в ньому буде невеликим. Такий динамік вважається низкодобротным і, відповідно, більш якісним.

Електричний і механічний показники

Розраховуватися добротність динаміків може кількома способами. У деяких випадках при визначенні цього параметра беруться до уваги тільки втрати на звук, а також на тертя. При використанні такої методики розрахунку отримують показник механічної добротності.

Іноді при обчисленнях враховуються тільки значення витрати на опір мотора Динаміка. Така добротність називається електричної. Цей показник в динаміках зазвичай має невеликі значення. У будь-якому випадку Механічна добротність в звуковипромінювачах завжди перевищує електричну. Зазвичай такий показник в динаміках має значення більше одиниці.

Позначення

При конструюванні акустичних систем і виконанні різного роду розрахунків використовуються наступні позначення:

• Qts-повна добротність.

• Qms-Механічна добротність Динаміка.

• Qes-електрична.

У будь-якому випадку добротність динаміків у формулах завжди позначається як Q.

Від чого може залежати показник

Вважається, що найкращою якістю відрізняються сучасні динаміки, що мають загальний показник добротності (втрати електричні і механічні), рівний приблизно 0,7 або нижче. Однак таке значення повинно характеризувати динамік з урахуванням, крім усього іншого, і його акустичного оформлення. При цьому слід збиратися, що останнє завжди чистий показник добротності пристрою піднімає.

Наприклад, досить часто акустичне оформлення Динаміка являє собою закритий ящик. В даному випадку до пружності пружини додається пружність повітря в закритому просторі. Тобто запасів енергії в динаміці, оформленому подібним чином, буде більше. Збільшуватися показник добротності буде і при використанні фазоінвертора, рупора та ін.

Таким чином, акустичне оформлення при підборі Динаміка враховувати потрібно завжди. Чистий добротність придбаного пристрою повинна в будь-якому випадку бути дорівнює або нижче 0,7. Це дозволить створити акустичну систему з якісним звучанням.

Вважається, наприклад, що добротність Динаміка для закритого ящика повинна дорівнювати приблизно 0,5-0,6. При використанні в якості оформлення фазоінвертора оптимальним чистим показником добротності пристрою буде 0,3-0,5. Рупору при цьому потрібні ще більш низькі показники, оскільки він здатний навантажувати динаміки дуже сильно.

На що впливає добротність Динаміка

Впливає Q в акустичних системах в першу чергу на АЧХ і на імпульсні характеристики АС. Тобто цей показник значною мірою визначає особливості звучання динаміків. При добротності 0,5, наприклад, можна досягти найкращої імпульсної характеристики. При показнику ж 0,707 виходить рівний АЧХ. Також при:

• добротності 0,5 - 0,6 динаміки видають аудіофільскій бас;

• показниках 0,85-0,9 бас стає пружним і рельєфним;

• добротності 1,0 в зрізі з`являється "горбик" амплітудою 1,5 дБ, що сприймається вухом людини як хльосткий звук.

При подальшому зростанні показника Q "горб" в звуці зростає і з динаміків починають виходити характерні гудуть шуми.

Теорія і практика

На що впливає добротність Динаміка, таким чином, зрозуміло. Як ми з`ясували, при використанні акустичного оформлення цей показник повинен бути досить низьким. Саме таким чином справа йде в теорії. Однак на практиці нізкодобротние динаміки зустрічаються, на жаль, досить-таки рідко. Навіть, наприклад, при використанні фазоінвертора, що вимагає, як ми з`ясували, показника в 0,5-0,6, часто застосовуються головки з показником вище одиниці.

У будь-якого звуковипромінюючого пристрою є своя власна резонансна частота. І саме через неї мембрани після різких сигналів приходять в рівноважний стан. У багатьох випадках при високій добротності динамік буде навіть не продовжувати або догравати будь-які ноти. При припиненні зовнішнього впливу він просто-напросто почне неприємно гудіти. Саме таким чином поводяться на певній частоті, наприклад, дешеві комп`ютерні колонки.

Низька добротність динаміків-це найчастіше для акустичної системи дуже добре. Однак досить високодобротними можуть в наш час бути, на жаль, навіть і відносно дорогі звукопередающие пристрої. Наприклад, в обладнанні, що реалізується в магазині за ціною приблизно 5-6 тис. руб., звуковипромінювачі часто абсолютно не підходять за цим показником до оформлення. Він у них зазвичай сильно завищений.

При всьому при цьому дорогі динаміки з великою добротністю видають найчастіше досить якісний звук. Справа тут полягає перш за все в тому, що такі пристрої зазвичай мають ще й досить-таки низьку резонансну частоту. За такої умови шуми сприймаються не особливо добре натренованим в плані акустики людським вухом не як прикрі «перешкоди», а просто, як дуже потужний звук. Особливо непомітною подібна "бруд" стає при прослуховуванні простої музики, наприклад, сучасної попси. Тобто гул в даному випадку проходить по "правильній" частоті.

Від чого ще залежить

Оформлення надає, таким чином, великий вплив на добротність Динаміка. Також цей показник у такого обладнання залежить від:

1. Потужності його мотора. Чим вище ця характеристика, тим нижче добротність у головки.

2. Маси переміщення. При збільшенні цього показника зусилля мотора в звукопередающем пристрої стають менш помітними. Втрати на тертя при цьому зростають. В результаті всього цього добротність пристрою збільшується.

3. Діаметра проводів. У тому випадку, якщо дроти в динаміці дають великий опір, електрична добротність пристрою збільшиться. Адже в даному випадку навантаження на динамік, що представляє собою подобу генератора, падає.

Як виміряти добротність: формули

У домашніх умовах цей параметр динаміків часто обчислюється за допомогою простого мілівольтметра змінного струму. Також для цієї процедури готують плату і резистор 1000 Ом, стабілізуючий струм через динамік. Крім того, при використанні такої методики знадобиться програмний генератор від комп`ютера і підсилювач потужності (для подачі сигналу на динамік). Проводять процедуру вимірювання добротності із застосуванням такого обладнання наступним чином:

• динамік підвішують у вільному стані, наприклад, на який-небудь мотузці;

• збирають схему.

Перед складанням схеми будують графік, де по осі y відкладають напругу в мілівольтах (100, 200, 300). На х при цьому вказують частоту (10, 20, 30...140 і т. д). Далі збирають схему, де сигнал з підсилювача подається на резистор, а потім йде на динамік.

На наступному етапі:

• включають мілівольтметр в схему в точках А і з і встановлюють напругу 10-20 в на частоті 500-1000 герц;

• підключають вольтметр до точок в і з, шляхом регулювання генератора знаходять частоту, де значення вольтах максимальні (Fs);

• змінюють частоту вгору по відношенню до Fs і знаходять точки, в яких показання вольтметра значно менше Fs і постійні (Um).

Вимірюючи напругу при певній частоті Динаміка, будують відповідний графік. На наступному етапі знаходять середнє значення між мінімальним напругою і максимальним. При цьому використовують формулу U1 / 2=√Umax * Umin. Отримане значення у вигляді горизонтальної лінії переносять на графік і знаходять точки перетину з лініями відносини F1 і F2 (з відповідними показниками частоти).

Далі знаходять акустичну добротність за формулою Qa=√Umax / Umin * Fs / F2-F1, де Fs-значення частоти при максимальних показаннях мілівольтметра. Потім можна знайти електричну добротність:

• Qes=Qa*Umin/(Umax-Umin).

Після цього обчислюють повну добротність Динаміка:

• Qts=Qa*Qes/(Qa+Qes).

На наступному етапі будують графік для другого динаміка і виробляють такі ж обчислення.

Які ще параметри можуть вимірюватися

Що це таке-добротність динаміків, ми з`ясували. Визначають цей показник зазвичай при виборі найбільш підходяще оформлення, конструюючи акустичні системи. Однак для того, щоб динаміки в подальшому передавали найбільш якісний звук, розрахунки в даному випадку повинні проводитися і за деякими іншими показниками.

При виборі акустичного оформлення завжди враховуються так звані параметри Тіля-Смолла. Однією з таких характеристик є саме добротність, що позначається, як ми з`ясували, Qts. Також при підборі акустичного оформлення беруться до уваги такі показники ТЗ як:

• резонансна частота Fs;

• пружність підвісу Динаміка Vas.

Крім трьох основних характеристик, при розрахунку оформлення акустичних систем фахівці можуть використовувати і такі параметри як:

• площа дифузора і його діаметр;

• індуктивність;

• чутливість;

• імпеданс;

• пікова потужність;

• маса рухомої системи;

• рухова потужність;

• механічний опір;

• відносна жорсткість і пр.

Вважається, що більшість з цих характеристик може бути легко визначено в домашніх умовах за допомогою не особливо складних вимірювальних приладів.

Резонансна частота

Динамік, як ми з`ясували, є системою коливальної. Будучи наданим самому собі, його дифузор при впливі коливається з певною частотою. Тобто веде він себе приблизно так само, як струна після щипка або, наприклад, дзвін після удару.

Вважається, що резонансна частота може становити:

• для сабвуферних головок, не встановлених в корпус — 20-50 Гц;

• мітбасових динаміків-50-120 Гц;

• пищалок - 1000-2000 Гц;

• диффузорных среднечастотников — 100-200 Гц;

• купольних-400-800 Гц.

Виміряти резонансну частоту Динаміка можна, наприклад, прогнавши через нього сигнал звукового генератора (включивши послідовно з ним резистор) або будь-якими іншими подібними методами. Визначається цей показник по піку імпедансу пристрою.

Показник Vas

Цей параметр для динаміків може вимірюватися за двома методиками:

• додаткової маси;

• додаткового обсягу.

У першому випадку вимірювання роблять з використанням будь-яких важків (10 грам на кожен дюйм діаметра дифузора). Це можуть бути, наприклад, гирьки від аптечних ваг або старі монети, номінал яких відповідає їх вазі. Такими предметами навантажують дифузор і вимірюються його частоту. Далі проводять необхідні розрахунки за формулами.

При використанні методу додаткового обсягу звуковипромінювач герметично закріплюють в спеціальному вимірювальному ящику магнітом назовні. Далі вимірюють резонансну частоту і обчислюють електричну і механічну добротність Динаміка, а також повну. Потім з урахуванням отриманих даних за формулою визначають Vas.

Вважається, що чим менше Vas при інших рівних величинах, тим більш компактне оформлення можна використовувати для Динаміка. Зазвичай невеликі значення цього параметра при тій же резонансній частоті є результатом поєднання важкої рухомої системи і жорсткого підвісу.

Способи вимірювання додаткових параметрів

Як уже згадувалося, крім трьох основних характеристик ТЗ, при конструюванні акустичних систем можуть використовуватися і інші показники. Наприклад, опір обмотки головки постійному струму re вимірюють на частоті, близькій до 0 Гц або ж просто з використанням омметра.

Площа дифузора Sd або, як ще її називають ефективна випромінююча поверхня, в низьких частотах збігається з конструктивною. Знайти цей параметр за допомогою простої формули Sd=nR². При цьому за радіус приймають половину відстані від середини гумового підвісу по ширині з однієї сторони до середини протилежної. Пов`язано це перш за все з тим, що половина ширини підвісу також є випромінюючою поверхнею.

Про що потрібно знати

Виміряти параметри ТЗ, включаючи добротність, правильно при конструюванні акустичних систем дуже важливо. Щоб уникнути великих похибок, перед виконанням вимірювань динамік обов`язково потрібно " розім`яти». Справа в тому, що у нових або не експлуатувалися деякий час пристроїв подібного типу параметри ТЗ можуть значно відрізнятися від показників, що використовувалися до початку розрахунків обладнання.

"Розминати" динаміки перед вимірами можна, наприклад, синусоїдальними сигналами, просто музикою, білим і рожевим шумом, тестовими дисками. Тривати при цьому процедура подібної підготовки пристрою повинна, на думку фахівців, протягом мінімум доби.

Види акустичного оформлення

Найбільш популярними типами коробів для динаміків на даний момент є закриті ящики і фазоінвертори. Перший вид оформлення при цьому вважається найпростішим. Конструктивно закритий ящик являє собою короб з 6 стінок. До плюсів такого оформлення фахівці відносять в першу чергу компактність, простоту збірки, хороші імпульсивні характеристики, швидкий і чіткий бас. Недоліком закритих ящиків при цьому вважається невисокий рівень ККД. Для створення високого звукового тиску таке оформлення не підходить. Закриті короби зазвичай використовуються для прослуховування джазових композицій, року, клубної музики.

Фазоінвертори є досить складним типом оформлення. Виготовляються вони зазвичай з пластика. При цьому фазоінвертори мають високий ККД і до того ж дозволяють динаміку швидко охолоджуватися. Також таке оформлення при необхідності можна легко переналаштувати.

Іноді для динаміків може використовуватися і відкрите акустичне оформлення. В даному випадку задня стінка звуковипромінюючої поверхні дифузора не відділяється від передньої. Найчастіше відкритий ящик являє собою короб, у якого відсутня задня стінка (або в ній є безліч отворів).

Рупорне оформлення для головок найчастіше використовується в комплексі з іншими типами. Однак в деяких випадках подібні конструкції можуть бути і оригінальними на 100%. Застосовуються такі системи, наприклад, для ШП-динаміків з низькою добротністю. Акустичне оформлення цього типу має досить багато переваг. Основним його плюсом є висока гучність. До недоліків такого оформлення при цьому відносять неможливість отримання рівномірної АЧХ, низьку об`ємність звучання та ін.

Добротність динаміка і оформлення

Вважається, що головки з показником Fs / Qts>50 повинні використовуватися в закритих корпусах, Fs / Qts>85 - з фазоінверторами, Fs / Qts>105-з смуговими резонаторами, Fs / Qts>30 - з екранами та відкритими ящиками.

Підбирати акустичне оформлення для динаміків можна, як уже згадувалося, і просто за показниками їх добротності. Наприклад, головки з Qts> 1,2 найчастіше використовуються для відкритих ящиків. Оптимальним показником добротності для них вважається 2,4. Динаміки з Qts<0,8 - 1,0 призначені для закритих ящиків. В даному випадку оптимальний показник, як ми з`ясували раніше, дорівнює 0,5-0,6.

Добротність динаміків для фазоінвертора повинна бути такою: Qts<0,6. Оптимум в даному випадку буде дорівнює 0,4. Пристрої ж з Qts<0.4 підходять для рупорів.

Як змінити добротність, знизити або підвищити

Іноді для того, щоб звукопередающее обладнання працювало краще, цей його параметр потрібно підвищити або знизити. Досить часто майстри, наприклад, цікавляться тим, як зменшити добротність Динаміка. Завдання це насправді може бути дуже складною. Для того щоб знизити добротність Динаміка, зазвичай потрібно кардинально переробляти його мотор. А це, звичайно ж, процедура досить складна і в більшості випадків не дуже виправдана.

Деякі фахівці відзначають той факт, що знизити добротність динаміків можна шляхом приклеювання магніт. Однак в даному випадку її показник змінитися не більше ніж на 5-10 %. До того ж такий спосіб підходить тільки тоді, коли власний магніт в динаміці використаний дуже слабкий.

Також відповідями на питання про те, як знизити добротність Динаміка, можуть бути і інші технології. Наприклад, це можна зробити шляхом:

• використання резонаторів;

• просочення дифузорів;

• різання секторів, наприклад, за методом Ефруссі.

Відповідь на питання про те, як підвищити добротність Динаміка, існує досить простий. Для цього, як ми вже з`ясовували вище, зазвичай потрібно просто збільшити масу переміщення пристрою.