Così ho deciso di scrivere io stesso un articolo, che è molto importante per gli acustici. In questo articolo voglio descrivere come misurare i parametri più importanti delle teste dinamiche: i parametri Thiel-Small.

Ricorda! La tecnica seguente è valida solo per misurare i parametri Thiel-Small di altoparlanti con frequenze di risonanza inferiori a 100 Hz (ovvero woofer), a frequenze più alte l'errore aumenta.

I parametri più basilari Thiel-Piccolo, da cui è possibile calcolare e produrre progettazione acustica(in altre parole - una scatola) sono:

• Frequenza di risonanza dell'altoparlante F s (Hertz)
• Volume equivalente V come (litri o piedi cubi)
• Fattore di qualità totale Q ts
• Resistenza corrente continua R e (ohm)

Per un approccio più serio, dovrai anche sapere:

• Fattore di qualità meccanica Q ms
• Fattore di qualità elettrica Q es
• Area diffusore S d (m 2) o il suo diametro Dia (cm)
• Sensibilità SPL (dB)
• Induttanza Le (Henry)
• Impedenza Z (Ohm)
• Potenza di picco Pe (Watt)
• Massa del sistema in movimento M ms (g)
• Rigidità relativa (flessibilità meccanica) C ms (metri/newton)
• Resistenza meccanica R ms (kg/s)
• Potenza del motore (prodotto dell'induttanza nel traferro magnetico e la lunghezza del filo della bobina mobile) BL (Tesla*m)

La maggior parte di questi parametri può essere misurata o calcolata a casa utilizzando strumenti di misura poco sofisticati e un computer o una calcolatrice che può mettere radici ed elevarsi a potenza. Per un approccio ancora più serio alla progettazione del design acustico e tenendo conto delle caratteristiche degli altoparlanti, consiglio di leggere letteratura più seria. L'autore di questo "lavoro" non pretende di avere una conoscenza speciale nel campo della teoria, e tutto quanto affermato qui è una raccolta di varie fonti, sia straniere che russe.

Misura dei parametri Thiel-Small Re , F s , F c , Q es , Q ms , Q ts , Q tc , V as , C ms , S d , M ms .

Per misurare questi parametri, avrai bisogno della seguente attrezzatura:

1. Voltmetro
2. Generatore di segnale frequenza audio. Programmi generatori adatti che generano le frequenze necessarie. Tipo Generatore di funzioni Marchand o Generatore di toni NCH. Dal momento che non è sempre possibile trovare un frequenzimetro a casa, puoi fidarti completamente di questi programmi e del tuo scheda audio installato sul computer.
3. Potente resistenza da 1000 ohm (almeno 5 watt).
4. Resistore preciso (+- 1%) da 10 ohm
5. Fili, morsetti e altra spazzatura per collegare tutto in un unico circuito.

Schema per le misurazioni

Calibrazione:

Per prima cosa devi calibrare il voltmetro. Per fare questo, al posto dell'altoparlante, viene collegata una resistenza da 10 ohm e selezionando la tensione fornita dal generatore, è necessario raggiungere una tensione di 0,01 volt. Se il resistore ha un valore diverso, la tensione dovrebbe corrispondere a 1/1000 del valore della resistenza in Ohm. Ad esempio, per una resistenza di calibrazione di 4 ohm, la tensione dovrebbe essere di 0,004 volt. Ricorda! Dopo la calibrazione, è IMPOSSIBILE regolare la tensione di uscita del generatore fino al completamento di tutte le misurazioni.

Alla ricerca di Re

Ora, collegando un altoparlante al posto di una resistenza di calibrazione e impostando una frequenza prossima a 0 hertz sul generatore, possiamo determinare la sua resistenza in corrente continua Re. Sarà la lettura del voltmetro moltiplicata per 1000. Tuttavia, Re può anche essere misurato direttamente con un ohmmetro.

Trovare Fs e Rmax

L'altoparlante durante questa e tutte le misurazioni successive deve trovarsi nello spazio libero. La frequenza di risonanza di un altoparlante si trova dalla sua impedenza di picco (caratteristica Z). Per trovarlo, cambia dolcemente la frequenza del generatore e osserva le letture del voltmetro. La frequenza alla quale la tensione sul voltmetro sarà massima (un ulteriore cambiamento di frequenza porterà a una caduta di tensione) sarà la frequenza di risonanza principale per questo altoparlante. Per altoparlanti di diametro superiore a 16 cm, questa frequenza dovrebbe essere inferiore a 100 Hz. Non dimenticare di annotare non solo la frequenza, ma anche le letture del voltmetro. Moltiplicati per 1000, daranno l'impedenza dell'altoparlante alla frequenza di risonanza, Rmax, necessaria per calcolare gli altri parametri.

Trovare Q ms , Q es e Q ts

Questi parametri sono trovati dalle seguenti formule:

Come puoi vedere, questa è una scoperta sequenziale opzioni aggiuntive R o , R x e misura delle frequenze precedentemente sconosciute F 1 e F 2 . Queste sono le frequenze alle quali l'impedenza dell'altoparlante è Rx. Poiché Rx è sempre inferiore a Rmax, ci saranno due frequenze: una è leggermente inferiore a Fs e l'altra è leggermente più grande. Puoi verificare se le tue misure sono corrette con la seguente formula:

Se il risultato calcolato differisce da quello trovato in precedenza di più di 1 hertz, è necessario ripetere tutto dall'inizio e in modo più accurato. Quindi, abbiamo trovato e calcolato diversi parametri di base e possiamo trarre alcune conclusioni sulla base di essi:

1. Se la frequenza di risonanza dell'altoparlante è superiore a 50Hz, allora ha il diritto di affermare di funzionare nella migliore delle ipotesi come mediobassi. Puoi immediatamente dimenticare il subwoofer su un tale altoparlante.
2. Se la frequenza di risonanza dell'altoparlante è superiore a 100 Hz, allora questo non è affatto un altoparlante a bassa frequenza. Puoi usarlo per riprodurre le medie frequenze nei sistemi a 3 vie.
3. Se il rapporto F s /Q ts dell'altoparlante è inferiore a 50, allora questo altoparlante è progettato per funzionare esclusivamente in scatole chiuse. Se più di 100 - esclusivamente per lavorare con un inverter di fase o in passabanda. Se il valore è compreso tra 50 e 100, è necessario esaminare attentamente altri parametri: a quale tipo di design acustico tende l'altoparlante. È meglio utilizzare programmi per computer speciali per questo, che possono simulare graficamente l'uscita acustica di un tale altoparlante in diversi design acustici. È vero, non si può fare a meno di altri parametri non meno importanti: V as , S d , C ms e L.

Trovare SD

Questa è la cosiddetta superficie radiante effettiva del diffusore. Per le frequenze più basse (nella zona di azione del pistone) coincide con quella di progetto ed è pari a:

Il raggio R in questo caso sarà la metà della distanza dal centro della larghezza della sospensione in gomma su un lato al centro della sospensione in gomma sul lato opposto. Ciò è dovuto al fatto che metà della larghezza della sospensione in gomma è anche una superficie radiante. Si noti che l'unità per questa area è metri quadrati. Di conseguenza, il raggio deve essere sostituito in metri.

Trovare l'induttanza della bobina dell'altoparlante L

Ciò richiede i risultati di una delle letture fin dal primo test. Avrai bisogno dell'impedenza (impedenza) della bobina mobile a una frequenza di circa 1000 Hz. Poiché la componente reattiva (X L) è separata dalla componente attiva R e di un angolo di 900, possiamo usare il teorema di Pitagora:

Poiché Z (impedenza della bobina a una certa frequenza) e Re (resistenza CC della bobina) sono noti, la formula si traduce in:

Avendo trovato la reattanza X L alla frequenza F, possiamo calcolare l'induttanza stessa usando la formula:

Misure Vas

Esistono diversi modi per misurare il volume equivalente, ma due sono più facili da usare a casa: il metodo "Massa aggiunta" e il metodo "Volume aggiunto". Il primo richiede diversi pesi di un peso noto dai materiali. Puoi usare un set di pesi da bilance da farmacia o usare vecchie monete di rame da 1,2,3 e 5 copechi, poiché il peso di una tale moneta in grammi corrisponde al valore nominale. Il secondo metodo richiede una scatola ermetica di volume noto con un apposito foro per l'altoparlante.(mospagebreak)

Trovare V come con il metodo della massa addizionale

Per prima cosa devi caricare uniformemente il diffusore con i pesi e misurare nuovamente la sua frequenza di risonanza, scrivendola come F "s. Dovrebbe essere inferiore a F s. È meglio se la nuova frequenza di risonanza è inferiore del 30% -50%. Il peso dei pesi si prendono circa 10 grammi per ogni pollice di diametro del cono, cioè per una testa da 12" occorre un peso di circa 120 grammi.

dove M è la massa dei pesi aggiunti in chilogrammi.

Sulla base dei risultati ottenuti, V as (m 3) viene calcolato con la formula:

Trovare V come con il metodo del volume addizionale

È necessario fissare ermeticamente l'altoparlante nella scatola di misurazione. È meglio farlo con il magnete verso l'esterno, poiché all'altoparlante non importa da che parte ha il volume e sarà più facile per te collegare i fili. E ci sono meno buchi extra. Il volume della cassa è indicato con V b .

Quindi devi misurare Fc ( frequenza di risonanza dinamiche in una scatola chiusa) e, di conseguenza, calcolare Q mc , Q ec e Q tc . La tecnica di misurazione è del tutto simile a quella sopra descritta. Quindi il volume equivalente si trova usando la formula:

I dati ottenuti come risultato di tutte queste misurazioni sono sufficienti per un ulteriore calcolo del progetto acustico del collegamento a bassa frequenza. alta classe. Ma come viene calcolato è una storia completamente diversa.

Determinazione della flessibilità meccanica C ms

Dove S d è l'area effettiva di un diffusore con un diametro nominale D. Come calcolare è scritto in precedenza.

Determinazione della massa del sistema in movimento Mms

Si calcola facilmente con la formula:

Potenza del motore (prodotto dell'induttanza nel traferro magnetico e la lunghezza del filo della bobina mobile) BL

Soprattutto, non dimenticare che per misurazioni più accurate dei parametri Thiel-Small, è necessario eseguire l'esperimento più volte e quindi, calcolando la media, ottenere valori più accurati.

Il subwoofer è separato sistema acustico progettato per riprodurre le frequenze più basse della gamma audio (solitamente 20-120Hz).

Per ottenere buone basse frequenze su altoparlanti convenzionali (senza subwoofer), abbastanza grandi e altoparlanti potenti. Inoltre, gli altoparlanti con buoni fondi saranno piuttosto costosi. L'utilizzo di un subwoofer permetterà di scaricare gli altoparlanti alle basse frequenze. E poiché l'udito umano non è in grado di riconoscere la direzione del suono a bassa frequenza, è necessario un solo subwoofer e puoi posizionarlo in quasi tutti i punti convenienti della stanza. La qualità del suono aumenterà leggermente, poiché non è necessario sovraccaricare gli altoparlanti con i bassi ad alta potenza, e quindi la quantità di distorsione sarà ridotta. Inoltre, gli altoparlanti risulteranno di dimensioni molto più ridotte, poiché il tweeter (il cosiddetto "tweeter") non necessita affatto di volume e il driver midrange ne richiede pochissimo.

Il subwoofer può essere utilizzato anche con altoparlanti che già possiedi, che, di sicuro, non ti permettono di godere di bassi potenti. Penso che tu volessi già farlo. Quindi, per cominciare, un po 'di teoria .... Per ottenere un suono di alta qualità da qualsiasi altoparlante fatto in casa, devi prima conoscere un po' di teoria. E fai delle scelte. Intendo il tipo di cassetto e testata.

Di seguito esamineremo i tre tipi principali di scatole più comunemente utilizzate sia nei subwoofer che nel design. testa a bassa frequenza sistemi di altoparlanti multibanda. I progetti più complessi sono difficili da produrre e personalizzare. Inoltre, sono molto critici per l'accuratezza dei calcoli e talvolta sono troppo ingombranti per la casa.

A proposito di scatole

Qui esamineremo i tre principali tipi di box utilizzati nei subwoofer (così come in altri altoparlanti). Ma prima, un po' sullo scopo e la funzione di ogni scatola. La testina acustica emette il suono non solo "in avanti" ma anche all'indietro, mentre le onde sonore anteriori e posteriori sono in fase opposta. A questo proposito esiste un termine "chiusura acustica" in cui le onde su entrambi i lati del diffusore si sommano e (se sono opposte in fase) si annullano a vicenda. In questo caso, idealmente, non sentirai proprio nulla, ma in pratica il suono sarà, ma molto lontano dall'originale. La cassa del sistema acustico permette di eliminare questo cortocircuito e di conferire al suono le caratteristiche richieste in termini di potenza e frequenza.

Esistono tre tipi di design acustico: vale a dire, questi sono la scatola chiusa, l'invertitore di fase e il passabanda... Soffermiamoci un po 'più in dettaglio.

Scatola chiusa (ZYa) - scatola sigillata

Questo è il tipo più semplice di progettazione di altoparlanti acustici da produrre. Le oscillazioni in una tale scatola sono in un volume chiuso e alla fine vengono smorzate. Ma poiché l'onda sonora è energia, quando decade, si trasforma in calore. E sebbene la quantità di questo calore sia piccola, influisce comunque sulle prestazioni del sistema di altoparlanti. (l'aria più calda si espande e aumenta la rigidità del sistema). Per evitare questo effetto, il materiale fonoassorbente viene riempito dall'interno con un materiale fonoassorbente che, assorbendo il suono, assorbe anche il calore. L'aumento della temperatura dell'aria diventa molto più piccolo e "sembra" alla dinamica che dietro di esso ci sia un volume significativamente più grande di quanto non sia in realtà. In pratica, in questo modo è possibile ottenere un aumento del volume "acustico" della cassa rispetto a quello geometrico del 15-20%.

Nonostante la semplicità di questo design, presenta molti vantaggi. Innanzitutto, la semplicità del calcolo delle caratteristiche. C'è solo un parametro qui: il volume. In secondo luogo, nell'intera gamma di frequenze, le oscillazioni del diffusore sono limitate dalla reazione elastica del volume d'aria. Ciò riduce significativamente la probabilità di sovraccarico degli altoparlanti e danni meccanici. Non so quanto suoni confortante, ma per gli avidi amanti dei bassi, gli altoparlanti in scatole chiuse a volte bruciano, ma quasi mai "sputano fuori". In terzo luogo, con una scelta competente dei parametri della testa e del volume, una scatola chiusa non ha eguali nel campo delle risposte all'impulso, che determinano in gran parte la percezione soggettiva delle note basse.

La domanda naturale ora è: quindi qual è l'inghippo? Se tutto va così bene, perché abbiamo bisogno di tutti gli altri tipi di progettazione acustica? C'è solo un trucco. KPP In una scatola chiusa, è il più piccolo rispetto a qualsiasi altro tipo di design acustico. Allo stesso tempo, più piccolo riusciamo a rendere il volume della scatola, pur mantenendo la stessa gamma di frequenze di lavoro, minore sarà la sua efficienza. Non c'è creatura più insaziabile in termini di potenza assorbita di una scatola chiusa di piccolo volume, motivo per cui le dinamiche in esse, come si diceva, sebbene non sputano, spesso bruciano.

Invertitore di fase (FI) - scatola ventilata

Il prossimo tipo più comune di design acustico. FI è più umano in relazione alla radiazione del lato posteriore del diffusore. In un inverter di fase, parte dell'energia che viene "messa contro il muro" in una scatola chiusa viene utilizzata per scopi pacifici. Per fare ciò, il volume interno della scatola comunica con lo spazio circostante attraverso un tunnel contenente una certa massa d'aria. Il valore di questa massa è scelto in modo tale che, unito all'elasticità dell'aria all'interno della scatola, crei un secondo sistema oscillatorio che riceve energia dalla parte posteriore del diffusore e la irradia dove necessario e in fase con l'irraggiamento del diffusore. Questo effetto si ottiene in una gamma di frequenze non molto ampia, da una a due ottave, ma all'interno di essa l'efficienza aumenta notevolmente.

Oltre a una maggiore efficienza l'invertitore di fase ha un altro grande vantaggio: vicino alla frequenza di sintonia, l'ampiezza delle oscillazioni del cono è significativamente ridotta. A prima vista questo può sembrare un paradosso: come avere un grosso buco nel cabinet di un altoparlante possa frenare il movimento di un cono, ma è comunque un dato di fatto. Nel suo campo operativo, l'invertitore di fase crea condizioni completamente serra per l'altoparlante, ed esattamente alla frequenza di sintonia, l'ampiezza di oscillazione è minima e la maggior parte del suono viene emessa dal tunnel. La potenza in ingresso consentita qui è massima e la distorsione introdotta dall'altoparlante, al contrario, è minima. Al di sopra della frequenza di sintonia, il tunnel diventa sempre meno "trasparente" alle vibrazioni sonore, a causa dell'inerzia della massa d'aria racchiusa al suo interno, e l'altoparlante funziona da chiuso. Al di sotto della frequenza di sintonia accade il contrario: l'inerzia dell'inerzia scompare gradualmente e alle frequenze più basse l'altoparlante funziona quasi senza carico, cioè come se fosse estratto dalla custodia. L'ampiezza dell'oscillazione aumenta rapidamente e con essa il rischio di sputare fuori il cono o di danneggiare la bobina mobile a causa dell'impatto con il sistema magnetico. In generale, se non protetto, scegliere un nuovo oratore diventa una vera prospettiva.

Un mezzo di protezione contro tali disturbi, oltre alla prudenza nella scelta del livello del volume, è l'uso di filtri di frequenze infra-basse. Tagliando una parte dello spettro dove non c'è ancora segnale utile (sotto i 25 - 30 Hz), tali filtri non consentono al diffusore di scatenarsi a rischio della tua stessa vita e del tuo portafoglio.

L'invertitore di fase è molto più capriccioso nella scelta dei parametri e nell'accordatura, poiché tre parametri sono già soggetti a selezione per uno specifico diffusore: il volume della cassa, la sezione trasversale e la lunghezza del tunnel. Il tunnel è molto spesso realizzato in modo tale che la lunghezza del tunnel possa essere regolata per un subwoofer già finito modificando la frequenza di sintonizzazione.

Striscia altoparlante-passabanda.

Il terzo tipo di subwoofer utilizzato abbastanza spesso nelle autoinstallazioni (anche se meno frequentemente dei due precedenti) è l'altoparlante passabanda. Se una scatola chiusa e un invertitore di fase - filtri acustici alti, quindi il passa-banda, come suggerisce il nome, combina filtri passa-alto e passa-basso. L'altoparlante passa-banda più semplice è un singolo 4° ordine (singolo ventilato). Consiste in un volume chiuso, il cosiddetto. la camera posteriore e la seconda, dotata di tunnel, come un invertitore di fase convenzionale (camera anteriore). L'altoparlante è installato nella partizione tra le camere in modo che entrambi i lati del cono lavorino su volumi completamente o parzialmente chiusi - da qui il termine "carico simmetrico".

Tra i design tradizionali, l'altoparlante passa-banda è in ogni caso il campione in termini di efficienza. In questo caso, l'efficienza è direttamente correlata alla larghezza di banda. La risposta in frequenza di un altoparlante passa-banda è a forma di campana. Scegliendo gli opportuni volumi e frequenza di sintonia della camera frontale, è possibile costruire un subwoofer con ampia banda, ma ritorno limitato, ovvero la campana sarà bassa e larga, oppure con banda stretta e altissima efficienza . in questa corsia. La campana si allungherà quindi in altezza.

Il passabanda è una cosa capricciosa nel calcolo e richiede più tempo per la produzione. Poiché l'altoparlante è sepolto all'interno del case, devi fare dei trucchi per assemblare la scatola in modo che la presenza di un pannello rimovibile non interrompa la rigidità e la tenuta della struttura. Anche le caratteristiche di impulso non sono le migliori, specialmente con un'ampia larghezza di banda.

Come viene compensato? Prima di tutto, come accennato, la massima efficienza. In secondo luogo, il fatto che tutto il suono venga emesso attraverso il tunnel e l'altoparlante sia completamente chiuso. Quando si organizza un subwoofer di questo tipo, si aprono notevoli opportunità per installarlo in un'auto. Basta trovare un posticino all'incrocio tra il bagagliaio e l'abitacolo, dove possa essere sistemata l'imboccatura del tunnel - e la strada per i bassi più potenti è aperta. Soprattutto per tali installazioni, JLAudio, ad esempio, produce manicotti flessibili in plastica, con i quali propone di collegare l'uscita del subwoofer all'interno. Come il tubo di un aspirapolvere, solo più spesso e rigido.

Ora un po 'di teste

Prima di realizzare una scatola per un subwoofer, è necessario scegliere una testina, sotto la quale, infatti, verranno calcolati i suoi parametri fisici. Per selezionare un altoparlante, è necessario conoscere il maggior numero possibile di parametri elettromeccanici.

Il dato minimo assoluto è:
- Frequenza di risonanza dell'altoparlante Fs
- Fattore di qualità completa Qts
- Volume equivalente di Vas

Se non conosci almeno uno di questi parametri e non hai l'opportunità di misurarli da solo, non dovresti prendere questo diffusore. Molto probabilmente non sarai in grado di fare nulla di utile.

Frequenza di risonanza (Fs)

La frequenza di risonanza è la frequenza di risonanza dell'altoparlante senza alcun design acustico. Viene misurato in questo modo: l'altoparlante è sospeso in aria alla massima distanza possibile dagli oggetti circostanti, quindi ora la sua risonanza dipenderà solo dalle sue caratteristiche: la massa del sistema in movimento e la rigidità della sospensione.

C'è un'opinione secondo cui più bassa è la frequenza di risonanza, migliore sarà il subwoofer. Questo è vero solo in parte; per alcuni progetti, una frequenza di risonanza inutilmente bassa è un ostacolo. Per riferimento: basso è 20 - 25 Hz. Sotto i 20 Hz è raro. Sopra i 40 Hz è considerato alto per un subwoofer.

Fattore di qualità totale (Qts)

Il fattore di qualità in questo caso non è la qualità del prodotto, ma il rapporto tra forze elastiche e viscose che esistono nel sistema di movimento dell'altoparlante vicino alla frequenza di risonanza. Un sistema di altoparlanti mobili è molto simile alla sospensione di un'auto, dove sono presenti una molla e un ammortizzatore. La molla crea forze elastiche, cioè accumula e rilascia energia nel processo di oscillazione, e l'ammortizzatore è una fonte di resistenza viscosa, non accumula nulla, ma assorbe e dissipa sotto forma di calore. La stessa cosa accade quando il diffusore e tutto ciò che vi è collegato vibra. Una figura di merito elevata significa che predominano le forze elastiche. È come un'auto senza ammortizzatori. Basta imbattersi in un sasso e la ruota comincerà a sobbalzare, sfrenata da qualsiasi cosa. Salta alla frequenza di risonanza che è insita in questo sistema oscillatorio. Applicato a un altoparlante, ciò significa un superamento della risposta in frequenza alla frequenza di risonanza, maggiore è, maggiore è il fattore di qualità totale del sistema. Il fattore di qualità più alto, misurato in migliaia, appartiene alla campana, che, di conseguenza, non vuole suonare a nessuna frequenza diversa da quella risonante, fortunatamente nessuno lo richiede.

Un metodo popolare per diagnosticare la sospensione di un'auto tramite wiggle non è altro che misurare il fattore di qualità della sospensione in modo artigianale. Se ora mettiamo in ordine la sospensione, cioè attacchiamo un ammortizzatore parallelo alla molla, l'energia accumulata durante la compressione della molla non ritornerà tutta indietro, ma sarà parzialmente rovinata dall'ammortizzatore. Questa è una diminuzione del fattore qualità del sistema. Ora torniamo alla dinamica. Niente che andiamo avanti e indietro? Questo, dicono, è utile: con una molla all'oratore, tutto sembra essere chiaro. Questa è una sospensione diffusore. E l'ammortizzatore? Ammortizzatori: fino a due, che lavorano in parallelo. Il fattore di qualità completa dell'altoparlante è costituito da due: meccanico ed elettrico.

Il fattore di qualità meccanica è determinato principalmente dalla scelta del materiale di sospensione, e principalmente dalla rondella di centraggio, e non dall'ondulazione esterna, come talvolta si crede. Di solito non ci sono grandi perdite qui e il contributo del fattore di qualità meccanica al totale non supera il 10-15%. Il contributo principale appartiene alla figura elettrica di merito.

L'ammortizzatore più duro che opera nel sistema oscillatorio di un altoparlante è un insieme di una bobina mobile e un magnete. Essendo per sua natura un motore elettrico, esso, come dovrebbe essere per un motore, può funzionare da generatore, e questo è esattamente ciò che fa vicino alla frequenza di risonanza, quando la velocità e l'ampiezza del movimento della bobina sono massime.

Muovendosi in un campo magnetico, la bobina genera una corrente e il carico per un tale generatore è l'impedenza di uscita dell'amplificatore, cioè praticamente zero. Si scopre lo stesso freno elettrico di cui sono dotati tutti i treni elettrici. Anche lì, in frenata, i motori di trazione sono costretti a funzionare come generatori, e il loro carico sono le batterie delle resistenze di frenatura sul tetto. L'entità della corrente generata sarà naturalmente tanto maggiore quanto più forte è il campo magnetico in cui si muove la bobina mobile. Si scopre che più potente è il magnete dell'altoparlante, minore, a parità di altre condizioni, è il suo fattore di qualità. Ma, naturalmente, poiché sia ​​la lunghezza del filo di avvolgimento che l'ampiezza dell'intercapedine nel sistema magnetico sono coinvolte nella formazione di questo valore, sarebbe prematuro trarre una conclusione definitiva solo sulla base della dimensione del magnete. E quello preliminare - perché no? - Concetti di base - il fattore di qualità totale dell'altoparlante è considerato basso se è inferiore a 0,3 - 0,35; alto - più di 0,5 - 0,6.

Volume equivalente (vas)

La maggior parte delle testate degli altoparlanti moderni si basa sul principio della "sospensione acustica". Il concetto di sospensione acustica consiste nell'installare l'altoparlante in un tale volume d'aria, la cui elasticità è paragonabile all'elasticità della sospensione dell'altoparlante. In questo caso si scopre che parallelamente alla molla già presente nella sospensione ne è stata installata un'altra. In questo caso, il volume equivalente sarà quello in cui la molla che appare è uguale in elasticità a quella esistente. Il valore del volume equivalente è determinato dalla rigidità della sospensione e dal diametro del diffusore. Più morbida è la sospensione, maggiore sarà la dimensione del cuscino d'aria, la cui presenza inizierà a disturbare chi parla.

Lo stesso accade con una modifica del diametro del diffusore. Un grande diffusore a parità di cilindrata comprimerà maggiormente l'aria all'interno del cassonetto, sperimentando così una maggiore forza reciproca di elasticità del volume d'aria. È questa circostanza che spesso determina la scelta della dimensione dell'altoparlante, in base al volume disponibile per adattarsi al suo design acustico. I coni grandi creano i prerequisiti per un subwoofer ad alto rendimento, ma richiedono anche grandi volumi. Il volume equivalente ha relazioni interessanti con la frequenza di risonanza che è facile perdere senza rendersene conto. La frequenza di risonanza è determinata dalla rigidità della sospensione e dalla massa del sistema in movimento, e il volume equivalente è determinato dal diametro del diffusore e dalla rigidità stessa.

Di conseguenza, è possibile la seguente situazione: supponiamo che ci siano due altoparlanti della stessa dimensione e con la stessa frequenza di risonanza. Ma solo uno di loro ha ottenuto questo valore di frequenza grazie a un diffusore pesante e una sospensione rigida, e l'altro, al contrario, un diffusore leggero su una sospensione morbida. Il volume equivalente di una tale coppia, con tutte le somiglianze esterne, può differire in modo molto significativo e, se installato nella stessa scatola, i risultati saranno notevolmente diversi.

Quindi, stabilito cosa significano i parametri vitali, finalmente iniziamo a scegliere ...

Questa è la frequenza di risonanza dell'altoparlante, senza alcun design acustico. L'altoparlante è rigidamente sospeso in aria, alla massima distanza dagli oggetti circostanti. In questa posizione, la sua risonanza dipenderà solo dalle sue caratteristiche. Le masse del sistema in movimento e la rigidità della sospensione. C'è un'opinione secondo cui più bassa è la frequenza di risonanza, migliore sarà il subwoofer. Questo è vero solo in parte. Per alcuni progetti, la frequenza di risonanza è troppo bassa, interferenza. La bassa frequenza di risonanza è considerata 20 - 25 Hz. Sotto i 20 Hz è raro. Sopra i 40 Hz è considerato alto per un subwoofer.

Fattore di qualità totale Qts

Il fattore di qualità in questo caso non è la qualità del prodotto, ma il rapporto tra forze elastiche e viscose che esistono nel sistema di movimento dell'altoparlante, vicino alla frequenza di risonanza. Un sistema di altoparlanti mobili, molto simile alla sospensione di un'auto, dove sono presenti una molla e un ammortizzatore. La molla crea forze elastiche, cioè accumula e rilascia energia nel processo di oscillazione, e l'ammortizzatore, fonte di resistenza viscosa, non accumula nulla, ma assorbe energia e la dissipa. La stessa cosa accade quando il diffusore vibra, e tutto ciò che è attaccato ad esso.

Un fattore di alta qualità significa che predominano le forze elastiche. È come un'auto senza ammortizzatori. Basta imbattersi in un sasso e la ruota comincerà a sobbalzare, sfrenata da qualsiasi cosa. Salta alla frequenza di risonanza che è insita in questo sistema oscillatorio. Nel caso di un altoparlante, ciò significa un superamento della risposta in frequenza alla frequenza di risonanza, tanto maggiore quanto più alto è il fattore di qualità totale del sistema.

A proposito, il fattore di qualità più alto, misurato in migliaia di unità, è nella campana, che per la sua forma non vuole suonare a nessuna frequenza diversa da quella di risonanza.

Un metodo popolare per diagnosticare la sospensione di un'auto mediante oscillazione non è altro che una valutazione del fattore di qualità della sospensione. Se alla molla viene aggiunto un ammortizzatore, l'energia accumulata durante la compressione della molla non ritornerà tutta indietro, ma sarà parzialmente dissipata dall'ammortizzatore. Questo fenomeno è chiamato diminuzione del fattore qualità del sistema. Torniamo alla dinamica. Le molle degli altoparlanti sono sospensioni del diffusore. E l'ammortizzatore? Ci sono due ammortizzatori che lavorano insieme.

Il fattore di qualità completo dell'altoparlante è costituito da due fattori di qualità: meccanico ed elettrico. Il fattore di qualità meccanica è determinato principalmente dalla scelta del materiale di sospensione, e, inoltre, principalmente dal materiale della rondella di centraggio, e non del labbro esterno, come molti credono. Di solito non ci sono grandi perdite qui e il contributo del fattore di qualità meccanica al totale non supera il 10-15%.

L'ammortizzatore più rigido che opera nel sistema oscillatorio di un altoparlante è un insieme di una bobina mobile e un magnete. Il sistema magnetico dell'altoparlante, nel design e nel principio di funzionamento, è molto simile ai motori elettrici. Di conseguenza, come i motori elettrici, anche il motore dell'altoparlante può essere un generatore corrente elettrica. Cosa fa l'altoparlante vicino alla frequenza di risonanza, quando la velocità e l'ampiezza del movimento della bobina mobile sono massime.

Muovendosi in un campo magnetico, la bobina genera una corrente e il carico per un tale generatore è l'impedenza di uscita dell'amplificatore, cioè quasi zero. Come qualsiasi generatore, è difficile che il motore di un altoparlante si muova se la resistenza di carico è minima. Il risultato è una specie di freno elettrico. L'entità della corrente generata in questo caso, tanto maggiore quanto più forte è il campo magnetico in cui si muove la bobina mobile, e maggiore è la velocità e l'ampiezza delle oscillazioni della bobina nello spazio.

Si scopre che più potente è il magnete dell'altoparlante, minore, a parità di altre condizioni, è il suo fattore di qualità. Naturalmente, il fattore qualità dipenderà non solo dal magnete. Dipenderà dalla bobina, dalla quantità di filo nello spazio nello stesso momento, ecc. eccetera. Tuttavia, come linea guida approssimativa, è del tutto possibile prendere il fattore del fattore di piena qualità dell'altoparlante.

Un fattore di bassa qualità di un diffusore è considerato inferiore a 0,3 - 0,35.

Gli altoparlanti con Qts maggiore di 0,5 - 0,6 sono considerati altoparlanti di alta qualità.

Il volume equivalente di Vas.

La maggior parte delle testate degli altoparlanti moderni si basa sul principio della "sospensione acustica". A volte vengono chiamati "compressione", il che, in realtà, non è corretto. Le testine a compressione sono una storia diversa con i driver a tromba.

Il concetto di sospensione acustica consiste nell'installare l'altoparlante in un tale volume d'aria, la cui elasticità è paragonabile all'elasticità della sospensione dell'altoparlante. Allo stesso tempo, si scopre che oltre alla "molla" già presente nella sospensione, ne viene aggiunta un'altra esterna. Equivalente, considera il volume d'aria, che, nella sua elasticità, sarà uguale all'elasticità delle sospensioni degli altoparlanti. La quantità di volume equivalente per ciascun altoparlante è determinata dalla rigidità della sospensione e dal diametro dell'altoparlante. Più morbida è la sospensione, maggiore sarà la dimensione del cuscino d'aria, la cui presenza influenzerà in modo significativo l'altoparlante.

Quest'anno sul Journal of the American Acoustic Society, gli scienziati Jiajun Zhao, Likun Zhang e Ying Wu hanno pubblicato un articolo "Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances" sulla loro invenzione, che aumenta la potenza sonora delle basse frequenze onde dovute alle risonanze. A giudicare dal rapporto dei ricercatori, una custodia in plastica con un diametro di 10 cm, inventata da loro e prodotta su una stampante 3D, può aumentare di 200 volte la potenza sonora di un altoparlante a bassa frequenza.

Tradizionalmente, per aumentare il volume ( pressione sonora) utilizzano un aumento della potenza del segnale e, nel caso di basse frequenze, un'ampia area di radiazione. Questi metodi classici presentano evidenti inconvenienti: grandi dimensioni complessive e elevato consumo energetico. A questo proposito, l'aumento della pressione sonora dovuto al design acustico è diventato popolare. problema pratico. Gli sviluppatori sono guidati dal desiderio di massimizzare la potenza e mantenere basso il volume. Con i diffusori tradizionali, questo effetto è stato ottenuto grazie all'invertitore di fase. Adesso è il turno audio portatile. Sotto il taglio, qualche parola sull'innovazione e sulle probabili prospettive del suo sviluppo, nonché un unico neo in un barile di brillanti prospettive.

Aspetto fresco o vecchio ben dimenticato

L'attuazione di un'idea piuttosto audace è dettata dalla necessità. L'abbondanza di tecnologia portatile richiede soluzioni in cui non è possibile applicare un design acustico con un grande volume, mentre il consumatore desidera "molto fondo". Pertanto, è probabile che la soluzione proposta dagli scienziati sia richiesta per smartphone, altoparlanti portatili portatili, docking station.

Allo stesso tempo, è noto che sviluppi di questo tipo furono effettuati dalla fine del XIX secolo (esperimenti di Helmholtz) fino agli anni '20 del secolo scorso, cioè fino al momento in cui i mezzi passivi per aumentare la pressione sonora potevano competere con quelli elettroacustici. Quindi c'era un design acustico a tromba.

Gli autori dell'articolo "Emission Enhancement of Sound Emettiters using an Acoustic Metamaterial Cavity", che è alla base dell'invenzione descritta, hanno scritto sulla continuità storica. Si può sostenere che, essendosi trovati in una situazione in cui i mezzi elettrici hanno esaurito la loro risorsa di efficienza, gli sviluppatori hanno ricordato il tempo in cui il design a tromba degli altoparlanti era la tendenza principale.

Idea e risultato

L'idea era quella di aumentare notevolmente l'ampiezza delle onde sonore emesse dal woofer, abbandonando il tradizionale aumento della potenza dell'amplificatore e l'aumento delle dimensioni del radiatore. Un ulteriore obiettivo era preservare il diagramma di radiazione, perché. il bocchino classico lo cambia. Per implementare l'idea, gli scienziati hanno utilizzato modalità risonanti, che sono state formate utilizzando un design acustico simile a un libirinto.

In termini semplici, gli sviluppatori hanno applicato un principio che può essere osservato posizionando una sorgente sonora (ad esempio uno smartphone) in una tazza. Il suono viene amplificato quando la tazza diventa una cassa di risonanza.

Qui il principio è vicino, ma invece di una singola cavità, vengono utilizzati labirinti appositamente progettati per migliorare selettivamente la gamma delle basse frequenze.

Lo sviluppatore Ying Wu in un'intervista ha descritto il principio di funzionamento come segue:

"Attraverso la risonanza dell'aria all'interno dei canali, molta più energia elettrica della sorgente viene convertita in potenza sonora rispetto a quanto sarebbe altrimenti."

"La risonanza dell'aria nei canali consente di ottenere più potenza sonora che senza di essi (canali - nota dell'autore) a parità di consumo energetico"

Una struttura realistica per il miglioramento delle emissioni

A) La struttura è realizzata con materiali rigidi (parte grigia), dove i canali elicoidali riempiti d'aria allungano il percorso del suono (linea rossa) per ridurre la sua velocità equivalente in direzione radiale lungo le pareti rigide dei canali (anisotropia azimutale ρθ→ ∞ρθ→∞).
b) Distribuzione di fase dei campi sonori emessi da una sorgente monopolare, simulando a tre frequenze di risonanza (vedi Fig. 2 (c)).
c) Uguale a b), ma per una sorgente a dipolo. (d, e) Confronto della direttività del campo lontano con e senza rivestimento, modellato per la risonanza più bassa in b) e c), rispettivamente.

Come si può vedere nella figura, dal centro del corpo rotondo del dispositivo di dieci centimetri, dove si trova l'altoparlante, partono passaggi labirintici, che assicurano il verificarsi di modalità risonanti e, di conseguenza, aumentano passivamente la potenza sonora di determinate frequenze. È importante notare che la scala dB è logaritmica, quindi un aumento di duecento volte della potenza si tradurrà in un aumento della pressione sonora di circa 20 dB. Uno scrittore sull'argomento ha confrontato 20 dB a otto barre sulla scala del volume dell'iPhone.

Come risultato di misurazioni comparative e di controllo, si è scoperto che l'uso del design consente davvero di amplificare la potenza sonora nella gamma delle basse frequenze di 200 volte. Il design consente inoltre di non modificare in modo significativo il diagramma di radiazione, cosa impossibile con l'uso dei classici sistemi a tromba. Maggiori dettagli sui risultati dell'esperimento possono essere trovati nell'articolo, che è pubblicato nel pubblico dominio.

È ovvio che il risultato ottenuto (in caso di sviluppo di eventi di successo per questa innovazione, che sarà discusso nella prossima sezione) può essere utilizzato per creare un portatile acustica senza fili, gadget mobili, cuffia.

L'articolo dimostra teoricamente la possibilità di un aumento risonante della potenza di un fattore 200, fornisce formule e misure comparative, ma, come nella vecchia barzelletta, c'è una sfumatura ...

Risonanza come nemico del cuore

L'amplificazione delle basse frequenze dovuta alle risonanze ha una serie di caratteristiche che rendono difficile l'utilizzo di questo metodo durante la creazione di apparecchiature ad alta fedeltà. Molte persone sono ben consapevoli dell'effetto dannoso di questo metodo sulla qualità del suono del design acustico bass-reflex degli altoparlanti. Quando si utilizza un invertitore di fase, l'amplificazione delle basse frequenze si ottiene anche per risonanza, l'unica differenza è che con questo fattore di forma l'invertitore di fase è meno efficace del labirinto.

L'ambiguità dell'uso delle risonanze per aumentare la potenza dei bassi è dettagliata nell'articolo "The Great Low Frequency Hoax" pubblicato dalla rivista Show Master, per gentile concessione di www.sound-consulting.net.

Come è stato scritto nell'articolo sopra citato, il sistema risonante non può avviarsi e arrestarsi istantaneamente e, di conseguenza, si verificano ritardi. Dato il numero di riflessioni nel sistema risonante a labirinto presentato, si può presumere che questi ritardi saranno maggiori che in uno simile con un invertitore di fase o una classica scatola chiusa.

Pertanto, utilizzando l'amplificazione risonante, possiamo ottenere molti più bassi, degradando la risposta all'impulso. Inoltre, non è noto se un tale sistema introduca distorsione, rumore, ecc. (lo studio non contiene un confronto della distorsione prima e dopo l'utilizzo del nuovo design acustico).

Prospettive applicative

Ad eccezione di tutti i problemi ipoteticamente probabili, l'innovazione può cambiare molto. La conservazione delle proprietà riducendo le dimensioni consentirà l'uso di tale design acustico negli smartphone, che aumenterà significativamente il volume. Utilizzare con portatile altoparlanti senza fili ridurrà il consumo energetico e quindi aumenterà la durata del lavoro dei dispositivi portatili.

Risultato

Attendo sinceramente con impazienza una discussione vivace e produttiva sulle prospettive del labirinto. Per le mie conclusioni sul destino dell'invenzione, non ho informazioni sufficienti. Tradizionalmente, propongo di partecipare al sondaggio ed esprimere la tua opinione sull'invenzione.

Jeans

- Come! Hai una nonna che indovina tre carte di fila e non hai ancora adottato da lei il suo cabalismo?
COME. Pushkin, La dama di picche

Oggi parleremo di ciò che è importante sapere sull'acustica in effetti. Vale a dire, sui famosi parametri Thiel-Small, la cui conoscenza è la chiave per vincere in un gioco d'azzardo nell'audio per auto. Senza diffamazione e schiavitù.

Un eminente matematico, secondo la leggenda, insegnando agli studenti, disse: "E ora procederemo alla dimostrazione del teorema, di cui ho l'onore di portare il nome". Chi è onorato di portare i nomi dei parametri Thiel e Small? Ricordiamoci anche di questo. Il primo del gruppo è Albert Nevil Thiele (nell'originale A. Neville Thiele, "A" non è quasi mai decifrato). Sia per età che per bibliografia. Thiel ha ora 84 anni e quando ne aveva 40 pubblicò un documento fondamentale che proponeva per la prima volta il calcolo delle caratteristiche degli altoparlanti basato su un singolo set di parametri in modo conveniente e riproducibile.

Lì, in un documento del 1961, si diceva, in particolare: “Le caratteristiche di un altoparlante nella regione delle basse frequenze possono essere adeguatamente descritte utilizzando tre parametri: la frequenza di risonanza, il volume d'aria equivalente alla flessibilità acustica del altoparlante e il rapporto tra resistenza elettrica e resistenza al movimento alla frequenza di risonanza. L'efficienza elettroacustica è determinata dagli stessi parametri. Chiedo ai produttori di altoparlanti di pubblicare questi parametri come parte dei punti salienti dei loro prodotti".

La richiesta di Neville Thiel è stata ascoltata dall'industria solo un decennio dopo, quando Thiel stava già lavorando con Richard Small, originario della California. Richard Small è scritto in californiano, ma per qualche motivo il rispettato dottore preferisce la versione tedesca della pronuncia del proprio nome. Small compie 70 anni quest'anno, tra l'altro, un anniversario più importante di tanti. All'inizio degli anni settanta Thiel e Small ricordarono finalmente l'approccio proposto per il calcolo degli altoparlanti.

Neville Thiel è ora professore onorario presso un'università nel suo paese d'origine, l'Australia, e la posizione professionale più recente del Dr. Small che siamo stati in grado di seguire è quella di ingegnere capo nel dipartimento audio per auto di Harman-Becker. E, naturalmente, entrambi fanno parte della leadership della International Society of Acoustic Engineers (Audio Engineering Society). In generale, entrambi sono vivi e stanno bene.

Thiel a sinistra, Small a destra, in ordine di contributo all'elettroacustica. A proposito, l'immagine è rara, ai maestri non piaceva essere fotografati

Appendere o non appendere?

La definizione figurativa delle condizioni per misurare Fs come frequenza di risonanza di un altoparlante sospeso in aria ha dato origine all'idea sbagliata che questa frequenza dovesse essere misurata in questo modo, e gli appassionati si sono sforzati di appendere davvero gli altoparlanti a fili e corde. Le misurazioni dei parametri acustici saranno dedicate a un numero separato di "BB", o anche più di uno, ma noterò qui: nei laboratori competenti, gli altoparlanti durante le misurazioni sono bloccati in una morsa e non sospesi a un lampadario.

I risultati di un esperimento computazionale che aiuterà coloro che desiderano capire come le grandezze dei fattori di qualità elettrica e meccanica sono espresse nelle curve di impedenza. Abbiamo preso set completo parametri elettromeccanici di un altoparlante reale, e poi ha iniziato a modificarne alcuni. Primo: il fattore di qualità meccanica, come se il materiale dell'ondulazione e della rondella di centraggio venissero sostituiti. Quindi - elettrico, per questo era già necessario modificare le caratteristiche dell'azionamento e del sistema di movimento. Ecco cosa è successo:

Curva di impedenza reale di un woofer. Calcola due dei tre parametri principali

Curve di impedenza per diversi valori del fattore di qualità totale, mentre la Qes elettrica è la stessa, pari a 0,5, e quella meccanica varia da 1 a 8. Il fattore di qualità totale Qts non sembra cambiare molto, e l'altezza della gobba sul grafico dell'impedenza è forte, e molto , mentre quanto minore è Qms, tanto più nitido diventa

Pressione sonora rispetto alla frequenza per gli stessi Qts. Quando si misura la pressione sonora, è importante solo il fattore di qualità completo Qts, quindi curve di impedenza completamente diverse corrispondono a curve di pressione sonora non così diverse rispetto alla frequenza

Gli stessi valori di Qts, ma ora ovunque Qms = 4, e Qes cambia in modo da raggiungere gli stessi valori di Qts. I valori Qts sono gli stessi, ma le curve sono completamente diverse e differiscono molto meno l'una dall'altra. Le curve rosse inferiori sono state ottenute per quei valori che non potevano essere ottenuti nel primo esperimento con un Qes fisso = 0,5

Curve di pressione sonora per Qt differenti ottenute modificando Qes. Le quattro curve superiori hanno esattamente la stessa forma di quando abbiamo cambiato Qms, la loro forma è determinata dai valori Qts e rimangono le stesse. Le curve rosse inferiori ottenute per Qts maggiori di 0,5, ovviamente, sono diverse e su di esse inizia a crescere una gobba, a causa dell'aumento del fattore di qualità.

Ma ora fai attenzione: il punto non è solo che ad alti Qts appare una gobba sulla caratteristica, mentre la sensibilità dell'altoparlante diminuisce a frequenze superiori a quella risonante. La spiegazione è semplice: a parità di altre condizioni, Qes può aumentare solo con un aumento della massa del sistema in movimento o con una diminuzione della potenza del magnete. Entrambi portano a un calo della sensibilità alle medie frequenze. Quindi la gobba alla frequenza di risonanza è, piuttosto, una conseguenza del calo a frequenze superiori a quella di risonanza. Niente è gratis nell'audio...

Contributo Socio Junior

A proposito: il fondatore del metodo A.N. Thiel intendeva tenere conto nei calcoli solo del fattore qualità elettrica, ritenendo (giustamente per i suoi tempi) che la proporzione delle perdite meccaniche fosse trascurabile rispetto alle perdite causate dall'azionamento del "freno elettrico" dell'altoparlante. Il contributo del socio junior, non l'unico però, è stato quello di tenere conto di Qms, ora è diventato importante: le testine moderne utilizzano materiali con perdite maggiori, che non erano disponibili nei primi anni '60, e ci siamo imbattuti in diffusori dove il valore di Qms era solo 2 - 3, con sottounità elettrica. In tali casi, sarebbe un errore non tenere conto delle perdite meccaniche. E questo è diventato particolarmente importante con l'introduzione del raffreddamento del ferrofluido nelle teste HF, dove, a causa dell'effetto smorzante del liquido, la quota di Qms nel fattore di qualità totale diventa decisiva, e il picco di impedenza alla frequenza di risonanza diventa quasi invisibile, come nel primo grafico del nostro esperimento computazionale.

Tre carte rivelate da Thiel e Small

1. Fs - la frequenza della risonanza principale dell'altoparlante senza alcun caso. Caratterizza solo l'altoparlante stesso e non il sistema di altoparlanti finito basato su di esso. Se installato in qualsiasi volume, può solo aumentare.

2. Qts è il fattore di qualità totale dell'altoparlante, un valore adimensionale che caratterizza le perdite relative nell'altoparlante. Più è basso, più la risonanza della radiazione viene soppressa e più alto è il picco di resistenza sulla curva di impedenza. Se installato in una scatola chiusa aumenta.

3. Vas - volume dell'altoparlante equivalente. Uguale al volume d'aria con la stessa rigidità della sospensione. Più rigida è la sospensione, meno Vas. A parità di rigidità, Vas aumenta con l'area del diffusore.

Le due metà che compongono la carta #2

1. Qes è la componente elettrica del fattore di piena qualità, che caratterizza la potenza dell'elettrofreno che impedisce al diffusore di oscillare vicino alla frequenza di risonanza. Di solito, più potente è il sistema magnetico, più forte è il "freno" e minore è il valore numerico di Qes.

2. Qms - la componente meccanica del fattore di qualità totale, caratterizza le perdite negli elementi elastici della sospensione. Le perdite qui sono molto minori che nella componente elettrica, e numericamente Qms è molto maggiore di Qes.

Perché suona il campanello

Cosa hanno in comune campane e altoparlanti? Bene, il fatto che entrambi suonino è ovvio. Ancora più importante, entrambi sono sistemi oscillatori. E qual è la differenza? La campana, non importa come la suoni, suonerà all'unica frequenza prescritta dal canone. E esternamente, l'altoparlante non è così diverso da esso - in un'ampia gamma di frequenze e può, se lo si desidera, rappresentare simultaneamente sia il suono di una campana che il soffio di un campanello. Quindi: due dei tre parametri Thiel-Small descrivono solo quantitativamente questa differenza.

Basta ricordare bene, o meglio, rileggere la citazione del fondatore nelle informazioni storiche e biografiche. Dice "alle basse frequenze". Till, Small e i loro parametri non hanno nulla a che fare con il comportamento dell'altoparlante alle frequenze più alte e non si assumono alcuna responsabilità per questo. Quali frequenze per l'altoparlante sono basse e quali no? E questo dice il primo dei tre parametri.

Mappa uno, misurato in hertz

Quindi: il parametro Thiel-Small n. 1 è la frequenza di risonanza naturale dell'altoparlante. È sempre indicato con Fs, indipendentemente dalla lingua di pubblicazione. Il significato fisico è estremamente semplice: essendo il diffusore un sistema oscillatorio, significa che ci deve essere una frequenza alla quale oscillerà il diffusore, essendo lasciato a se stesso. Come una campana dopo un colpo o una corda dopo un tocco. Ciò significa che l'altoparlante è assolutamente "nudo", non installato in ogni caso, come se fosse sospeso nel vuoto. Questo è importante, perché siamo interessati ai parametri dell'altoparlante stesso e non a ciò che lo circonda.

La gamma di frequenze attorno alla risonanza, due ottave in alto, due ottave in basso: questa è l'area in cui operano i parametri Thiel-Small. Per le teste dei subwoofer non ancora installate nella custodia, Fs può variare da 20 a 50 Hz, per i diffusori medio-bassi da 50 (bassi "sei") a 100 - 120 ("quattro"). Per diffusori di fascia media diffusori - 100 - 200 Hz, per cupole - 400 - 800, per tweeter - 1000 - 2000 Hz (ci sono eccezioni, molto rare).

Come viene determinata la frequenza di risonanza naturale di un altoparlante? No, come spesso determinato - chiaramente, leggi nella documentazione di accompagnamento o nel rapporto di prova. Bene, come l'hai scoperto in primo luogo? Sarebbe stato più facile con un campanello: gli ho dato qualcosa e ho misurato la frequenza del ronzio prodotto. L'oratore in una forma esplicita non ronza a nessuna frequenza. Cioè, vuole, ma non gli viene dato lo smorzamento delle vibrazioni del diffusore insito nel suo design. In questo senso, l'altoparlante è molto simile alla sospensione di un'auto, e ho usato questa analogia più di una volta e continuerò a farlo. Cosa succede se fai oscillare un'auto con gli ammortizzatori vuoti? Almeno un paio di volte oscillerà alla propria frequenza di risonanza (dove c'è una molla, ci sarà una frequenza). Gli ammortizzatori che sono solo parzialmente morti interromperanno le vibrazioni dopo uno o due periodi e quelli riparabili - dopo il primo beccheggio. In dinamica, l'ammortizzatore è più importante della molla, e ce ne sono anche due.

Il primo, più debole, funziona a causa del fatto che c'è una perdita di energia nella sospensione. Non è un caso che l'ondulazione sia realizzata con gradi speciali di gomma, una sfera di tale materiale difficilmente rimbalzerà sul pavimento, anche per la rondella di centraggio viene selezionata una speciale impregnazione ad alto attrito interno. E' come un freno meccanico delle oscillazioni del diffusore. Il secondo, molto più potente: elettrico.

Ecco come funziona. La bobina mobile dell'altoparlante è il suo motore. Scorre dentro corrente alternata dall'amplificatore e la bobina, situata nel campo magnetico, inizia a muoversi con la frequenza del segnale fornito, spostando, ovviamente, l'intero sistema in movimento, quindi è qui. Ma una bobina che si muove in un campo magnetico è un generatore. Che genererà più elettricità, più forte si muove la bobina. E quando la frequenza inizia ad avvicinarsi a quella risonante, alla quale il diffusore “vuole” oscillare, l'ampiezza delle oscillazioni aumenterà e aumenterà la tensione prodotta dalla bobina mobile. Picco esattamente alla frequenza di risonanza. Cosa c'entra questo con la frenata? Finora nessuno. Ma immagina che le conclusioni della bobina siano chiuse l'una all'altra. Ora una corrente lo attraverserà e sorgerà una forza che, secondo la regola della scuola di Lenz, impedirà il movimento che l'ha originato. Ma la bobina mobile nella vita reale è chiusa all'impedenza di uscita dell'amplificatore, che è vicina allo zero. Si scopre, per così dire, un freno elettrico che si adatta alla situazione: più il diffusore cerca di muoversi avanti e indietro, più ciò viene impedito dalla corrente in arrivo nella bobina mobile. La campana non ha freni, tranne che per l'attenuazione delle vibrazioni nelle sue pareti, e in bronzo - che tipo di attenuazione ...

La seconda carta, non misurata in nulla

La potenza frenante dell'altoparlante è espressa numericamente nel secondo parametro Thiel-Small. Questo è il fattore di qualità completa dell'oratore, indicato con Qts. Espresso numericamente, ma non letteralmente. In un certo senso, più potenti sono i freni, minore è il valore Qts. Da qui il nome "fattore di qualità" in russo (o fattore di qualità in inglese, da cui deriva la designazione di questa quantità), che è, per così dire, una valutazione della qualità di un sistema oscillatorio. Fisicamente, il fattore qualità è il rapporto tra le forze elastiche nel sistema e le forze viscose, in altre parole, le forze di attrito. Le forze elastiche immagazzinano energia nel sistema, trasferendo alternativamente energia dal potenziale (molla compressa o allungata o sospensione dell'altoparlante) a cinetica (energia di un diffusore in movimento). I viscosi si sforzano di trasformare l'energia di qualsiasi movimento in calore e di dissiparsi irrimediabilmente. Un fattore di alta qualità (e per la stessa campana sarà misurato in decine di migliaia) significa che ci sono molte più forze elastiche che forze di attrito (quelle viscose, è la stessa cosa). Ciò significa anche che solo una piccola parte dell'energia immagazzinata nel sistema verrà convertita in calore per ogni oscillazione. Pertanto, a proposito, il fattore qualità è l'unico valore nella tripla dei parametri Thiel-Small che non ha dimensioni, è il rapporto tra alcune forze e altre. Come fa la campana a dissipare l'energia? Attraverso frizione interna in bronzo, per lo più lentamente. Come fa un altoparlante a farlo, che ha un fattore di qualità molto inferiore, il che significa che il tasso di perdita di energia è molto più alto? In due modi, a seconda del numero di "freni". Una parte viene dissipata attraverso perdite interne negli elementi elastici della sospensione, e questa quota di perdite può essere stimata da un valore separato del fattore di qualità, si chiama meccanico, indicato con Qms. In secondo luogo, la maggior parte viene dissipata sotto forma di calore dalla corrente che passa attraverso la bobina mobile. Corrente, ha anche sviluppato. Questo è il fattore di qualità elettrica Qes. L'effetto totale dei freni sarebbe determinato molto facilmente se non fossero in uso i valori del fattore qualità, ma, al contrario, i valori delle perdite. Li metteremmo semplicemente insieme. E poiché abbiamo a che fare con valori inversi alle perdite, allora dovremo sommare i valori reciproci, motivo per cui risulta che 1/Qts = 1/Qms + 1/Qes.

I fattori Q tipici sono: meccanico - da 5 a 10. Elettrico - da 0,2 a 1. Da 1 a 5. È chiaro che il risultato sarà determinato principalmente dal fattore di qualità elettrica, ovvero il freno principale dell'altoparlante è elettrico.

Quindi come si strappano i nomi delle "tre carte" dall'altoparlante? Bene, almeno i primi due, arriveremo al terzo. Inutile minacciare con una pistola, come Hermann, chi parla non è una vecchia. La stessa bobina mobile, motore dell'altoparlante infuocato viene in soccorso. Dopotutto, l'abbiamo già realizzato: un motore infuocato illumina la luna come un generatore infuocato. E in questa veste, per così dire, parla dell'ampiezza delle oscillazioni del diffusore. Più tensione appare sulla bobina mobile come risultato delle sue oscillazioni insieme al diffusore, maggiore, quindi, l'ampiezza delle oscillazioni, più vicini, quindi, siamo alla frequenza di risonanza.

Come misurare questa tensione, nonostante il segnale dall'amplificatore sia collegato alla bobina mobile? Cioè, come separare ciò che viene fornito al motore da ciò che viene generato dal generatore, è sulle stesse conclusioni? Invece di è necessario dividere, è necessario misurare la somma ricevuta.

Per questo lo fanno in questo modo. L'altoparlante è collegato a un amplificatore con l'impedenza di uscita più alta possibile, nella vita reale questo significa: in serie con l'altoparlante, è collegato un resistore con una valutazione di molto, almeno cento, volte superiore alla resistenza nominale dell'altoparlante . Diciamo 1000 ohm. Ora, quando l'altoparlante è in funzione, la bobina mobile genererà contro-EMF, un po' come per il funzionamento di un freno elettrico, ma la frenata non si verificherà: i conduttori della bobina sono chiusi l'uno all'altro attraverso una resistenza molto elevata, la corrente è scarso, il freno è inutile. D'altra parte, la tensione, secondo la regola di Lenz, è di polarità opposta a quella fornita ("generando moto"), verrà aggiunta ad essa in controfase, e se in questo momento viene misurata la resistenza apparente della bobina mobile , sembrerà che sia molto grande. Infatti, allo stesso tempo, il back-EMF non consente alla corrente dell'amplificatore di fluire liberamente attraverso la bobina, il dispositivo lo interpreta come una maggiore resistenza, ma in quale altro modo?

Attraverso la misurazione dell'impedenza, quella stessa resistenza "apparente" (ma di fatto - complessa, con ogni sorta di componenti attivi e reattivi, ora non è il momento per questo) si aprono due schede su tre. La curva di impedenza di qualsiasi diffusore a cono, da Kellogg e Rice ai giorni nostri, sembra, in linea di principio, la stessa, appare addirittura nel logo di qualche comunità scientifica elettroacustica, ora non ricordo quale. La gobba alle frequenze basse (per questo diffusore) indica la frequenza della sua risonanza principale. Dove c'è un massimo, c'è l'ambita Fs. Non c'è niente di più elementare. Al di sopra della risonanza c'è un'impedenza minima, che di solito viene assunta come resistenza nominale dell'altoparlante, anche se, come si vede, rimane tale solo in una piccola banda di frequenza. Sopra, l'impedenza ricomincia a crescere, questa volta a causa del fatto che la bobina mobile non è solo un motore, ma anche un'induttanza, la cui resistenza aumenta con la frequenza. Ma non ci andremo adesso, i parametri che ci interessano non ci abitano.

È molto più difficile con il fattore qualità, ma, tuttavia, nella curva dell'impedenza sono contenute anche informazioni complete sulla "seconda scheda". Esauriente, perché un'unica curva può essere utilizzata per calcolare separatamente sia il Qes elettrico che il fattore di qualità meccanico Qms. Sappiamo già come ricavarne Qts completi, il che è davvero necessario quando si calcola il progetto, è una questione semplice, non il binomio di Newton.

Come vengono determinati esattamente i valori desiderati dalla curva di impedenza, discuteremo un'altra volta, quando parleremo dei metodi per misurare i parametri. Ora procederemo dal fatto che qualcuno (il produttore di acustica o soci del tuo obbediente servitore) ha fatto questo per te. Ma questo lo segnalerò. Ci sono due idee sbagliate associate ai tentativi di esprimere l'analisi dei parametri Thiel-Small dalla forma della curva di impedenza. Il primo è completamente di Lokhov, ora lo dissiperemo senza lasciare traccia. Questo è quando guardano una curva di impedenza con un'enorme gobba alla risonanza ed esclamano: "Wow, il fattore qualità!" Un po' alto. E guardando i puntini sulla curva, concludono: poiché il picco di impedenza è così regolare, significa che l'altoparlante ha un alto smorzamento, cioè un basso fattore di qualità.

Quindi: nella versione più semplice, è esattamente il contrario. Cosa significa picco ad alta impedenza alla frequenza di risonanza? Che la bobina mobile generi molta forza controelettromotrice, progettata per frenare elettricamente le oscillazioni del cono. Solo con questa inclusione, attraverso una grande resistenza, non scorre la corrente necessaria per il funzionamento del freno. E quando un tale altoparlante viene acceso non per misurazioni, ma normalmente, direttamente dall'amplificatore, la corrente di frenatura andrà in buona salute, la bobina diventerà un potente ostacolo alle oscillazioni eccessive del diffusore alla sua frequenza preferita.

Ceteris paribus, si può stimare approssimativamente il fattore qualità lungo la curva, e basta ricordare: l'altezza del picco di impedenza caratterizza il potenziale dell'elettrofreno dell'altoparlante, quindi, più è alto, INFERIORE è il fattore qualità. Tale valutazione sarà esaustiva? Non proprio come detto, rimarrà scortese. Infatti, nella curva di impedenza, come già accennato, sono sepolte informazioni sia su Qes che su Qms, che possono essere estratte (manualmente o utilizzando programma per computer), avendo analizzato non solo l'altezza, ma anche la “larghezza delle spalle” della gobba risonante.

E in che modo il fattore qualità influisce sulla forma della risposta in frequenza dell'altoparlante, è questo che ci interessa? Come influisce - influisce in modo decisivo. Più basso è il fattore di qualità, cioè più potenti sono i freni interni dell'altoparlante alla frequenza di risonanza, più bassa e più dolcemente decrescente, la curva che caratterizza la pressione sonora generata dall'altoparlante passerà vicino alla risonanza. L'irregolarità minima in questa banda di frequenza sarà a Qts pari a 0,707, che è comunemente chiamata caratteristica di Butterworth. A valori elevati del fattore qualità, la curva della pressione sonora inizierà a "gobbare" vicino alla risonanza, è chiaro il motivo: i freni sono deboli.

Esiste un fattore di qualità totale "buono" o "cattivo"? Di per sé - no, perché quando l'altoparlante è installato in un design acustico, che ora considereremo solo una scatola chiusa, sia la sua frequenza di risonanza che il fattore di qualità totale diventeranno diversi. Come mai? Perché sia ​​questo che quello dipendono dall'elasticità della sospensione dell'altoparlante. La frequenza di risonanza dipende solo dalla massa del sistema in movimento e dalla rigidità della sospensione. All'aumentare della rigidità, Fs aumenta e all'aumentare della massa diminuisce. Quando l'altoparlante è installato in una scatola chiusa, l'aria al suo interno, che ha elasticità, inizia a funzionare come molla aggiuntiva nella sospensione, la rigidità complessiva aumenta, Fs cresce. Cresce anche il fattore qualità totale, in quanto è il rapporto tra forze elastiche e forze ritardanti. Le capacità dei freni dell'altoparlante dalla sua installazione in un certo volume non cambieranno (perché no?), E l'elasticità totale aumenterà, il fattore qualità aumenterà inevitabilmente. E non diventerà mai più basso di quello che aveva l'oratore "nudo". Mai, questo è il limite inferiore. Quanto aumenterà questo? E dipende da quanto è rigida la sospensione dell'altoparlante. Guarda: lo stesso valore di Fs si può ottenere con un diffusore leggero su una sospensione morbida o con un diffusore pesante su una rigida, la massa e la rigidezza agiscono in direzioni opposte, e il risultato può risultare numericamente uguale. Ora, se mettiamo un altoparlante con una sospensione rigida in un certo volume (avendo l'elasticità dovuta a questo volume), allora non noterà un leggero aumento della rigidità totale, i valori di Fs e Qts non cambieranno molto. Mettiamo nello stesso posto un diffusore con sospensione morbida, rispetto alla cui rigidità la "molla pneumatica" sarà già significativa, e vedremo che la rigidità totale è cambiata molto, il che significa che Fs e Qts, inizialmente uguali a quelli del primo oratore, cambieranno sensibilmente.

Nei tempi bui "pre-Tile", per calcolare i nuovi valori della frequenza di risonanza e del fattore di qualità (essi, da non confondere con i parametri del diffusore "nudo", sono designati come Fc e Qtc), era necessario conoscere (o misurare) direttamente l'elasticità della sospensione, in millimetri per newton di forza applicata, conoscere la massa del sistema mobile, e poi essere furbi con i programmi di calcolo. Thiel ha proposto il concetto di "volume equivalente", ovvero un tale volume d'aria in una scatola chiusa, la cui elasticità è uguale all'elasticità della sospensione dell'altoparlante. Questo valore, designato Vas, è la terza carta magica.

Mappa tre, tridimensionale

Come viene misurato Vas è una storia a parte, ci sono colpi di scena divertenti e questo, come dico per la terza volta, sarà in un numero speciale della serie. Per la pratica, è importante capire due cose. Primo: l'illusione estremamente lochiana (ahimè, tuttavia presente) che il valore di Vas dato nei documenti di accompagnamento all'oratore sia il volume in cui l'oratore dovrebbe essere collocato. E questa è solo una caratteristica del diffusore, che dipende solo da due grandezze: la rigidità della sospensione e il diametro del diffusore. Se metti l'altoparlante in una scatola con un volume pari a Vas, la frequenza di risonanza e il fattore di qualità totale aumenteranno di 1,4 volte (questa è la radice quadrata di due). Se in un volume pari alla metà di Vas - 1,7 volte (la radice di tre). Se crei una scatola con un volume di un terzo di Vas, tutto il resto raddoppierà (la radice di quattro, la logica dovrebbe già essere chiara senza formule).

Di conseguenza, infatti, più piccolo, a parità di altre condizioni, è il valore Vas dell'altoparlante, più ci si può aspettare un design compatto, pur mantenendo gli indicatori previsti per Fc e Qtc. La compattezza, tuttavia, non è gratuita. In acustica, non c'è niente di libero. Il piccolo valore di Vas alla stessa frequenza di risonanza dell'altoparlante è il risultato di una combinazione di una sospensione rigida con un pesante sistema di movimento. E la sensibilità dipende in modo decisivo dalla massa del “movimento”. Pertanto, tutte le teste dei subwoofer, caratterizzate dalla capacità di lavorare in custodie chiuse compatte, sono anche caratterizzate da una bassa sensibilità rispetto alle loro controparti con coni di luce, ma valori Vas elevati. Quindi non ci sono nemmeno valori buoni e cattivi di Vas, tutto ha il suo prezzo.

Preparato sulla base dei materiali della rivista "Avtozvuk", marzo 2005.www.avtozvuk.com