НАЧАЛА-2

Конец еще не виден...

Продолжение здравых и доступных заметок по поводу общеизвестного

Константин НИКИТИН

В предыдущей публикации (см. «АвтоЗвук» №2/2001) мы познакомили читателя с элементами сравнительного анализа двух основных акустических оформлений – закрытого ящика компрессионного типа и фазоинвертора. Сегодня перед нами стоит более узкая, но, несомненно, неизмеримо более сложная задача. На примере акустического оформления закрытый ящик мы попытаемся не только проследить, какими приемами пользуются разработчики при расчете и анализе, но и познакомиться с основными характеристиками динамических головок.

Давайте считать, что все наши модели находятся в согласии с принципами, сформулированными Смоллом и подельником его Тилем... Соглашайтесь, потому что в подавляющем большинстве публикаций никаких других моделей нет. Модель Тиля – Смолла удобна прежде всего тем, что в рамках присущих ей ограничений (поршнеобразного движения диффузора, низких частот и малого сопротивления среды) она дает достаточно точное приближение расчетных данных к реальности: АЧХ, ФЧХ и другие характеристики АС совпадают с измеренными с неплохой точностью.

Простейшие опыты и что из них следует.

Параметры Тиля – Смолла

Попытка немедленного перехода к описанию параметров динамической головки в терминах Тиля – Смолла способна повергнуть в уныние даже бывалого читателя, поэтому постараемся подойти к проблеме издалека, с умозрительной постановки некоторых простейших экспериментов, это будет яснее и не так страшно.

Эксперимент №1. Просто подключаем головку к усилителю и исследуем зависимость от частоты некоторых параметров колебательного процесса. На рис. 1 красным цветом изображены частотные зависимости амплитуды смещения диффузора при создании на клеммах головки режима генератора напряжения. Синим цветом показаны АЧХ головки по звуковому давлению при использовании любого способа избавления от акустического короткого замыкания, например при оформлении головки в закрытый ящик. Синие и красные кривые симметричны относительно вертикальной оси, проходящей через частотную точку с абсциссой единица. Эта частота принимается за частоту резонанса головки и, если применяется простейшее оформление типа бесконечный экран, она равна частоте собственного резонанса Fs, являющейся одним из основополагающих параметров в модели Смолла и, разумеется, Тиля. Семейство кривых соответствует случаям разных потерь в колебательной системе: чем меньше потерь, тем больше выброс кривых над нулевым уровнем.

Механики назвали бы такое устройство колебательной системой второго порядка с вынужденными колебаниями. Второго – так как кривые в точности повторяют ход АЧХ фильтров второго порядка: АЧХ – ФВЧ, а смещение – ФНЧ.

Эксперимент №2. Не менее информативный, чем первый эксперимент может быть поставлен, если последовательно с головкой соединить активное сопротивление большой величины (r>>Re, где Re обозначает сопротивление звуковой катушки постоянному току). Теперь изучим частотную зависимость напряжения на головке, или, что то же самое в условиях созданного нами режима генератора тока – сопротивления головки (рис. 2).

Понятно, что на самых низких частотах это сопротивление равно Re. По мере роста частоты мы отметим заметное нарастание сопротивления: на частоте резонанса оно увеличится на значительную величину Res. Причина этого явления проста – в колеблющейся в магнитном поле звуковой катушке возникает противо-ЭДС, звуковая катушка как бы противится протеканию тока тем сильнее, чем ближе ситуация к резонансу.

По мере ухода от резонанса будет наблюдаться обратная картина, с той лишь разницей, что теперь в сопротивлении головки все большую роль будет играть индуктивность катушки – на самых высоких частотах (для НЧ-головок – примерно от 1 кГц и выше) индуктивное сопротивление превысит Re.

Электротехники сразу же скажут: мы анализируем параллельный колебательный контур (рис. 3). И тут же начнут интересоваться, что же за такие эквивалентные емкость и индуктивность появились в модели головки вблизи частоты резонанса?

Электрическая емкость Cmes интерпретирует инерционные свойства массы подвижной системы Mms (диффузор, звуковая катушка, прочие колеблющиеся предметы плюс масса соколеблющегося воздуха). Значки mes применены не случайно: m означает, что параметр интерпретирует механический эквивалент, e говорит о том, что речь идет об электрической модели, s характеризует собственные параметры головки, скажем, в отличие от с, относящегося к параметрам оформленной головки.

Больше не будем касаться подстрочных символов – и так в модели Смолла черт ногу сломит...

Электрическая индуктивность Lces пропорциональна гибкости подвеса Cms, а гибкость, в свою очередь, это чисто механический параметр, показывающий, на сколько смещается диффузор под действием единицы приложенной статической силы.

Коэффициентом пропорциональности механических и электрических величин оказывается квадрат коэффициента электромеханической связи B2l2 – важнейший параметр головки, демонстрирующий нам эффективность ее магнитной системы (B – индукция магнитного поля в зазоре, измеряемая в теслах, l – длина провода в звуковой катушке). Так мы определили один из главных параметров динамической головки. Заметим, что резонансная частота может быть определена исключительно через механические величины и никакого отношения к электричеству не имеет.

Что такое Fs, мы теперь знаем, остается разобраться со вторым важнейшим параметром – общем коэффициенте потерь или затухании dts, или, что привычнее – полной добротности Qts = 1/dts. Именно от ее величины зависит характер хода графиков на рис. 1: при малых добротностях графики полого сваливаются вниз, при больших – выброс, чуть наметившийся на нашей картинке, может достичь десятков децибел.

Понять смысл параметра полная добротность непросто. Нередко встречаешь лихих продавцов аппаратуры, пытающихся в порыве втюхать покупателю расхваливаемую головку определять полную добротность постукиванием по диффузору. Желающие стучать – в добрый час. Однако же лучше будет с достоверностью разобраться с этим параметром. Разбираться удобнее, отталкиваясь от обратных величин, – затуханий, то есть от того, что препятствует колебательным движениям диффузора.

А такого – много

Первое. Диффузор обязан выполнять свою главную функцию: взаимодействуя с воздушной средой, передавая ей часть колебательной энергии, возбуждать звуковые волны. Вот вам и первое затухание.

Однако не тут-то было. На низких частотах, то есть там, где работает модель Тиля – Смолла, взаимодействие диффузора с воздухом столь мало, что им просто пренебрегают. Это тот редкий случай, когда пренебрежение главным сохраняет справедливость модели.

Второе. Всякого рода потери на трение. Этих – хоть отбавляй. Мягкая и не вполне упругая резина гофра, материал центрирующей шайбы, наконец – трение о воздух звуковой катушки в узком зазоре. Создаваемое всем этим затухание достаточно велико по сравнению с тем, что определяется полезным излучением, и позволяет вычислить так называемую механическую добротность Qms. Механическая добротность головок лежит в пределах 2 ... 20, чаще всего в районе 5 ... 7. Именно ее, изловчившись, можно определить путем постукивания. Именно ее большая величина определяет превеликую горбатость резонансной кривой на рис. 2.

Третье. Демпфирование колебательного процесса электромагнитной системой головки. Здесь вообще-то речь идет не о потерях в привычном смысле, а о факторе, препятствующем свободным колебаниям диффузора головки, подключенной к усилителю. Этот фактор – взаимодействие замкнутой почти накоротко звуковой катушки с магнитом, описывается электрической добротностью Qes.

Обычно электрическая добротность лежит в пределах 0,1 ... 1, в основном толпится в области 0,2 ... 0,6.

Полная добротность складывается из двух вот эдак:

1/Qts = 1/Qms + 1/Qes, и именно ее можно определить постукиванием, но только постукивать по диффузору придется головку с закороченной катушкой. Как правило, полная добротность чуть-чуть меньше электрической. Впрочем, существуют куда более цивилизованные методы измерений параметров головок, и придет день (в смысле – номер), когда мы с ними познакомимся.

Последним из «столбовых» параметров Тиля – Смолла является эквивалентный объем головки Vas. Заметим, что, пока Тиль и Смолл не предложили свою систему параметров, все вышеперечисленное (включая Vas) принято было выражать в виде LCR-характеристик – тех, электрических, которые мы уже ввели, или в их механических аналогах. Но инженер-разработчик хочет иметь дело с привычными, осязаемыми, человеческими величинами, которыми за 40 лет общения с нами стали параметры Тиля – Смолла. К тому же многие формулы, например, зависимости для к.п.д., акустических и др. мощностей, написанные в параметрах Тиля – Смолла, оказываются наименее корявыми.

Уважающие себя фирмы, предлагая покупателям динамическую головку, обязательно снабдят ее описанием с указанием параметров Тиля – Смолла, это элементарное правило хорошего тона и сейчас без этого ну никак не возможно. Только обладая достоверными параметрами Тиля – Смолла, измеренными или почерпнутыми в паспорте изделия, можно рассчитать важнейшие характеристики готовой акустической системы.

продолжение