Добротность динамика: формула расчета, как снизить или повысить добротность динамика

Любой динамик, по сути, является колебательной системой. Исходя из этого, и производятся практически все расчеты параметров подобных звукоизлучателей. Одной из самых важных характеристик современных динамиков является показатель добротности. Этот параметр указывает прежде всего на качество устройств этой разновидности.

Что за характеристика

Итак, добротность динамика — что это за показатель? Ориентируясь на эту характеристику, можно в первую очередь определить, как затухают колебательные движения звукоизлучателей. Считается, что слишком большим этот показатель у головок быть не должен.

Вам будет интересно:Дискурсивный анализ: понятие и роль в современной лингвистике

Если значение добротности у динамика высокое и равно, к примеру, 2 или 3, значит, колебания в нем будут продолжаться даже уже после того, как исчезнет вызвавшая их сила. Это, конечно же, приведет к снижению качества звука. В динамике начнут возникать раздражающие слух шумовые эффекты.

При низкой добротности (меньше 1) колебания в устройстве затухают очень быстро. То есть мембрана в динамике после резкого воздействия практически сразу приходит в стабильное состояние. В результате устройство выдает более чистый и приятный для слуха звук. Соответственно, о том, как повысить добротность динамика, специалисты задумываются редко. В основном при конструировании акустических систем мастера стараются сделать этот показатель более низким.

Точное определение

Добротность динамика — что это такое, мы в общих чертах выяснили. Если говорить точнее, представляет собой эта характеристика параметр, указывающий на то, во сколько раз запасы энергии в рассматриваемой колебательной системе превышают ее потери при изменении фазы на 1 радиан. Именно таким образом добротность может быть определена с точки зрения физики.

Где в динамике концентрируются запасы энергии

Вам будет интересно:Повышение квалификации государственных служащих: профессиональная переподготовка, обзор учреждений

При подаче на головку сильного синусоидального сигнала запасы энергии будут концентрироваться в первую очередь в растянутых пружинах, при затухающих колебаниях стремящихся вернуть DIV в центральное положение. DIV у современных динамиков может иметь разный вес. Соответственно, и пружины в конструкции звукоизлучателя используются неодинаковой жесткости. То есть чем тяжелее динамик, тем больше в нем имеется запасов энергии.

Потери энергии динамиком

Устройства этого типа предназначены в первую очередь для излучения звука, воспринимаемого человеческим ухом. Передача таких колебаний в окружающую среду и является потерями энергии динамика. Однако КПД у современных динамиков обычно очень низкий. Поэтому на долю передачи звука приходится лишь небольшая часть расхода устройством энергии. Обычно таким путем происходит меньше 1 % всех потерь.

Расход на звуковые колебания в динамике является самым важным показателем. Ведь именно для передачи звука такие устройства и конструируются, и производятся. Но все же гораздо больше потерь в таком оборудовании является чисто механическими. Очень много энергии в таких устройствах тратится на трение:

• Реклама

  в подвесах;

• в магнитном зазоре;

• об воздух и пр.

Самый же большой расход энергии в динамиках происходит в их моторе. Работают современные устройства этого типа по принципу небольших генераторов, создающих довольно-таки большое сопротивление.

Соотношение запасов и потерь

Вам будет интересно:Звездочет - это ученый, который изучает астрономию

Таким образом, динамик, имеющий достаточно мощные пружины и тяжелую подвижку, будет накапливать много энергии. Соответственно, и ее количество в устройстве значительно превысит потери. Такой динамик может считаться высокодобротным. Колебания в нем будут затухать медленно. В легком устройстве с не особенно мощными пружинами энергии накапливается меньше. Соответственно, показатель отношения между имеющейся и израсходованной энергией в нем будет небольшим. Такой динамик считается низкодобротным и, соответственно, более качественным.

Электрический и механический показатели

Рассчитываться добротность динамиков может несколькими способами. В некоторых случаях при определении этого параметра принимаются во внимание только потери на звук, а также на трение. При использовании такой методики расчета получают показатель механической добротности.

Иногда при вычислениях учитываются только значения расхода на сопротивление мотора динамика. Такая добротность называется электрической. Этот показатель в динамиках обычно имеет небольшие значения. В любом случае механическая добротность в звукоизлучателях всегда превышает электрическую. Обычно такой показатель в динамиках имеет значение больше единицы.

Обозначения

При конструировании акустических систем и выполнении разного рода расчетов используются следующие обозначения:

• Qts — полная добротность.

• Qms — механическая добротность динамика.

• Qes — электрическая.

В любом случае добротность динамиков в формулах всегда обозначается как Q.

От чего может зависеть показатель

Считается, что наилучшим качеством отличаются современные динамики, имеющие общий показатель добротности (потери электрические и механические), равный примерно 0,7 или ниже. Однако такое значение должно характеризовать динамик с учетом, помимо всего прочего, и его акустического оформления. При этом следует иметь в виду, что последнее всегда чистый показатель добротности устройства поднимает.

К примеру, достаточно часто акустическое оформление динамика представляет собой закрытый ящик. В данном случае к упругости пружины добавляется упругость воздуха в закрытом пространстве. То есть запасов энергии в динамике, оформленном подобным образом, будет больше. Увеличиваться показатель добротности будет и при использовании фазоинвертора, рупора и пр.

Таким образом, акустическое оформление при подборе динамика учитывать нужно всегда. Чистая добротность приобретаемого устройства должна в любом случае быть равна или ниже 0,7. Это позволит создать акустическую систему с качественным звучанием.

Считается, к примеру, что добротность динамика для закрытого ящика должна быть равна примерно 0,5-0,6. При использовании в качестве оформления фазоинвертора оптимальным чистым показателем добротности устройства будет 0,3-0,5. Рупору при этом требуются еще более низкие показатели, поскольку он способен нагружать динамики очень сильно.

На что влияет добротность динамика

Влияет Q в акустических системах в первую очередь на АЧХ и на импульсные характеристики АС. То есть этот показатель в значительной мере определяет особенности звучания динамиков. При добротности 0,5, к примеру, можно достичь наилучшей импульсной характеристики. При показателе же 0,707 получается ровный АЧХ. Также при:

• Реклама

  добротности 0,5-0,6 динамики выдают аудиофильский бас;

• показателях 0,85-0,9 бас становится упругим и рельефным;

• Вам будет интересно:Рязанский политехнический колледж: история, специальности, адрес

  добротности 1,0 в срезе появляется «горбик» амплитудой 1,5 дБ, воспринимаемый ухом человека как хлесткий звук.

При дальнейшем росте показателя Q «горб» в звуке растет и из динамиков начинают исходить характерные гудящие шумы.

Теория и практика

На что влияет добротность динамика, таким образом, понятно. Как мы выяснили, при использовании акустического оформления этот показатель должен быть достаточно низким. Именно таким образом дело обстоит в теории. Однако на практике низкодобротные динамики встречаются, к сожалению, довольно-таки редко. Даже, к примеру, при использовании фазоинвертора, требующего, как мы выяснили, показателя в 0,5-0,6, часто применяются головки с показателем выше единицы.

У любого звукоизлучающего устройства имеется своя собственная резонансная частота. И именно через нее мембраны после резких сигналов приходят в равновесное состояние. Во многих случаях при высокой добротности динамик будет даже не продлевать или доигрывать какие-либо ноты. При прекращении внешнего воздействия он просто-напросто начнет неприятно гудеть. Именно таким образом ведут себя на определенной частоте, к примеру, дешевые компьютерные колонки.

Низкая добротность динамиков — это чаще всего для акустической системы очень хорошо. Однако достаточно высокодобротными могут в наше время быть, к сожалению, даже и относительно дорогие звукопередающие устройства. К примеру, в оборудовании, реализуемом в магазине по цене примерно 5-6 тыс. руб., звукоизлучатели зачастую совершенно не подходят по этому показателю к оформлению. Он у них обычно сильно завышен.

При всем при этом дорогие динамики с большой добротностью выдают чаще всего достаточно качественный звук. Дело здесь заключается прежде всего в том, что такие устройства обычно имеют еще и довольно-таки низкую резонансную частоту. При таком условии шумы воспринимаются не особенно хорошо натренированным в плане акустики человеческим ухом не как досадные «помехи», а просто, как очень мощный звук. В особенности незаметной подобная «грязь» становится при прослушивании простой музыки, к примеру, современной попсы. То есть гул в данном случае проходит по «правильной» частоте.

От чего еще зависит

Оформление оказывает, таким образом, большое влияние на добротность динамика. Также этот показатель у такого оборудования зависит от:

Как измерить добротность: формулы

В домашних условиях этот параметр динамиков часто рассчитывается с использованием простого милливольтметра переменного тока. Также для этой процедуры подготавливают плату и резистор 1000 Ом, стабилизирующий ток через динамик. Кроме того, при использовании такой методики понадобится программный генератор от компьютера и усилитель мощности (для подачи сигнала на динамик). Производят процедуру измерения добротности с применением такого оборудования следующим образом:

• динамик подвешивают в свободном состоянии, к примеру, на какой-нибудь веревке;

• собирают схему.

Перед сборкой схемы строят график, где по оси y откладывают напряжение в милливольтах (100, 200, 300). На х при этом указывают частоту (10, 20, 30...140 и т. д). Далее собирают схему, где сигнал с усилителя подается на резистор, а затем идет на динамик.

На следующем этапе:

• включают милливольтметр в схему в точках а и с и устанавливают напряжение 10-20 В на частоте 500-1000 герц;

• подключают вольтметр к точкам в и с, путем регулировки генератора находят частоту, где значения вольтах максимальны (Fs);

• изменяют частоту вверх по отношению к Fs и находят точки, в которых показания вольтметра значительно меньше Fs и постоянны (Um).

Измеряя напряжение при определенной частоте динамика, строят соответствующий график. На следующем этапе находят среднее значение между минимальным напряжением и максимальным. При этом используют формулу U1/2=√Umax*Umin. Полученное значение в виде горизонтальной линии переносят на график и находят точки пересечения с линиями отношения F1 и F2 (с соответствующими показателями частоты).

Далее находят акустическую добротность по формуле Qa=√Umax/Umin * Fs/F2-F1, где Fs — значение частоты при максимальных показаниях милливольтметра. Затем можно найти электрическую добротность:

• Qes=Qa*Umin/(Umax-Umin).

После этого вычисляют полную добротность динамика:

• Qts=Qa*Qes/(Qa+Qes).

На следующем этапе строят график для второго динамика и производят такие же вычисления.

Какие еще параметры могут измеряться

Что это такое — добротность динамиков, мы выяснили. Определяют этот показатель обычно при выборе наиболее подходящее оформления, конструируя акустические системы. Однако для того, чтобы динамики в последующем передавали наиболее качественный звук, расчеты в данном случае должны производиться и по некоторым другим показателям.

При выборе акустического оформления всегда учитываются так называемые параметры Тиля-Смолла. Одной из таких характеристик является именно добротность, обозначаемая, как мы выяснили, Qts. Также при подборе акустического оформления принимаются во внимание такие показатели ТС как:

• резонансная частота Fs;

• упругость подвеса динамика Vas.

Помимо трех основных характеристик, при расчете оформления акустических систем специалисты могут использовать и такие параметры как:

• площадь диффузора и его диаметр;

• индуктивность;

• чувствительность;

• импеданс;

• пиковая мощность;

• масса подвижной системы;

• двигательная мощность;

• механическое сопротивление;

• относительная жесткость и пр.

Считается, что большинство из этих характеристик может быть легко определено в домашних условиях с помощью не особенно сложных измерительных приборов.

Резонансная частота

Динамик, как мы выяснили, является системой колебательной. Будучи предоставленным самому себе, его диффузор при воздействии колеблется с определенной частотой. То есть ведет он себя примерно так же, как струна после щипка или, к примеру, колокол после удара.

Считается, что резонансная частота может составлять:

• для сабвуферных головок, не установленных в корпус — 20-50 Гц;

• митбасовых динамиков — 50-120 Гц;

• пищалок — 1000-2000 Гц;

• диффузорных среднечастотников — 100-200 Гц;

• купольных — 400-800 Гц.

Измерить резонансную частоту динамика можно, к примеру, прогнав через него сигнал звукового генератора (включив последовательно с ним резистор) или любыми другими подобными методами. Определяется этот показатель по пику импеданса устройства.

Показатель Vas

Этот параметр для динамиков может измеряться по двум методикам:

• добавочной массы;

• добавочного объема.

В первом случае измерения делают с использованием каких-либо грузиков (10 грамм на каждый дюйм диаметра диффузора). Это могут быть, к примеру, гирьки от аптечных весов или старые монеты, номинал которых соответствует их весу. Такими предметами нагружают диффузор и измеряются его частоту. Далее производят необходимые расчеты по формулам.

При использовании метода добавочного объема звукоизлучатель герметично закрепляют в специальном измерительном ящике магнитом наружу. Далее измеряют резонансную частоту и вычисляют электрическую и механическую добротность динамика, а также полную. Затем с учетом полученных данных по формуле определяют Vas.

Вам будет интересно:Бинарные оппозиции: определение, особенности и интересные факты

Считается, что чем меньше Vas при прочих равных величинах, тем более компактное оформление можно использовать для динамика. Обычно небольшие значения этого параметра при той же резонансной частоте являются результатом сочетания тяжелой подвижной системы и жесткого подвеса.

Способы измерения дополнительных параметров

Как уже упоминалось, помимо трех основных характеристик ТС, при конструировании акустических систем могут использоваться и другие показатели. К примеру, сопротивление обмотки головки постоянному току Re измеряют на частоте, близкой к 0 Гц или же просто с использованием омметра.

Площадь диффузора Sd или, как еще ее называют эффективная излучающая поверхность, в низких частотах совпадает с конструктивной. Находят этот параметр с использованием простой формулы Sd=nR2. При этом за радиус принимают половину расстояния от середины резинового подвеса по ширине с одной стороны до середины противоположной. Связано это прежде всего с тем, что половина ширины подвеса также является излучающей поверхностью.

О чем нужно знать

Измерить параметры ТС, включая добротность, правильно при конструировании акустических систем очень важно. Чтобы избежать больших погрешностей, перед выполнением измерений динамик обязательно нужно «размять». Дело в том, что у новых или не эксплуатировавшихся некоторое время устройств подобного типа параметры ТС могут значительно отличаться от показателей, использовавшихся до начала расчетов оборудования.

«Разминать» динамики перед измерениями можно, к примеру, синусоидальными сигналами, просто музыкой, белым и розовым шумом, тестовыми дисками. Длиться при этом процедура подобной подготовки устройства должна, по мнению специалистов, в течение минимум суток.

Виды акустического оформления

Наиболее популярными типами коробов для динамиков на данный момент являются закрытые ящики и фазоинверторы. Первый вид оформления при этом считается самым простым. Конструктивно закрытый ящик представляет собой короб из 6 стенок. К плюсам такого оформления специалисты относят в первую очередь компактность, простоту сборки, хорошие импульсивные характеристики, быстрый и четкий бас. Недостатком закрытых ящиков при этом считается невысокий уровень КПД. Для создания высокого звукового давления такое оформление не подходит. Закрытые короба обычно используются для прослушивания джазовых композиций, рока, клубной музыки.

Фазоинверторы являются достаточно сложным типом оформления. Изготавливаются они обычно из пластика. При этом фазоинверторы имеют высокий КПД и к тому же позволяют динамику быстро охлаждаться. Также такое оформление при необходимости можно легко перенастроить.

Иногда для динамиков может использоваться и открытое акустическое оформление. В данном случае задняя стенка звукоизлучающей поверхности диффузора не отделяется от передней. Чаще всего открытый ящик представляет собой короб, у которого отсутствует задняя стенка (или в ней имеется множество отверстий).

Рупорное оформление для головок чаще всего используется в комплексе с другими типами. Однако в некоторых случаях подобные конструкции могут быть и оригинальными на 100%. Применяются такие системы, к примеру, для ШП-динамиков с низкой добротностью. Акустическое оформление этого типа имеет достаточно много преимуществ. Основным его плюсом является высокая громкость. К недостаткам такого оформления при этом относят невозможность получения равномерной АЧХ, низкую объемность звучания и пр.

Добротность динамика и оформление

Считается, что головки с показателем Fs/Qts>50 должны использоваться в закрытых корпусах, Fs/Qts>85 — с фазоинверторами, Fs/Qts>105 — с полосовыми резонаторами, Fs/Qts>30 — с экранами и открытыми ящиками.

Подбирать акустическое оформление для динамиков можно, как уже упоминалось, и просто по показателям их добротности. К примеру, головки с Qts> 1,2 чаще всего используются для открытых ящиков. Оптимальным показателем добротности для них считается 2,4. Динамики с Qts<0,8-1,0 предназначены для закрытых ящиков. В данном случае оптимальный показатель, как мы выяснили раньше, равен 0,5-0,6.

Добротность динамиков для фазоинвертора должна быть такой: Qts<0,6. Оптимум в данном случае будет равен 0,4. Устройства же с Qts<0.4 подходят для рупоров.

Как изменить добротность, снизить или повысить

Иногда для того, чтобы звукопередающее оборудование работало лучше, этот его параметр требуется повысить или понизить. Достаточно часто мастера, к примеру, интересуются тем, как уменьшить добротность динамика. Задача это на самом деле может быть очень сложной. Для того чтобы снизить добротность динамика, обычно нужно кардинально переделывать его мотор. А это, конечно же, процедура достаточно сложная и в большинстве случаев не слишком оправданная.

Некоторые специалисты отмечают тот факт, что снизить добротность динамиков можно путем приклеивания магнита. Однако в данном случае ее показатель измениться не более чем на 5-10 %. К тому же такой способ подходит только тогда, когда собственный магнит в динамике использован очень слабый.

Также ответами на вопрос о том, как понизить добротность динамика, могут быть и другие технологии. К примеру, это можно сделать путем:

• использования резонаторов;

• пропитки диффузоров;

• резки секторов, к примеру, по методу Эфрусси.

Ответ на вопрос о том, как повысить добротность динамика, существует достаточно простой. Для этого, как мы уже выясняли выше, обычно нужно просто увеличить массу подвижки устройства.

Источник