Параметры Тиля-Смолла и импеданс динамической головки

Параметры Тиля-Смолла… Что за параметры и в чем их значение?

Кратко об авторах: Альберт Невил Тиль в начале шестидесятых годов прошлого века предложил проводить расчёты характеристик динамических головок на основе единого набора параметров (отсюда и название). Он выделил три основных параметра, учитывающих характер динамика и позволяющих оптимально выбрать для него акустическое оформление:

• Fs — резонансная частота динамика (диффузор, закрепленный на подвесе и центрирующей шайбе, имеет собственную резонансную частоту);
• Vas — эквивалентный объем (объем воздуха, по своей упругости эквивалентный механической упругости динамика);
• Qts — полная добротность (комплексный параметр, определяемый механической и электрической добротностью).

Подробнее о добротности скажем ниже. А пока отметим, что с начала 70-х годов Невил Тиль уже работает совместно с  Рихардом Смоллом, по этой причине и набор параметров для расчета акустики носит оба эти имени.

В обзорной статье о вариантах акустического оформления динамиков мы уже упоминали о выборе акустического оформления. Теперь зададимся вопросом: а как же, имея некоторую динамическую головку, правильно рассчитать для нее оформление, раскрыв все ее возможности? Вот тут-то нам параметры Тиля-Смолла и пригодятся. В грядущих публикациях мы обязательно сделаем примеры расчета для различных акустических оформлений, а пока давайте разберемся в сути предложенных Тилем и Смоллом параметров.

Fs — резонансная частота динамика

В данном случае имеется в виду резонансная частота динамической головки (ее подвижной части) без акустического оформления.

Резонансная частота  зависит от гибкости подвеса  и массы подвижной системы динамической головки. Гибкость головки в целом зависит от гибкости подвеса и центрирующей шайбы.Очевидно, что  динамик с более низкой резонансной частотой будет в состоянии лучше воспроизводить более низкие частоты, так как ниже собственного резонанса головки начинается достаточно быстрое снижение ее эффективности.

Помещая динамическую головку в закрытый ящик, мы тем самым прибавляем упругость заключенного в нем воздуха, к упругости головки. Поэтому для такого оформления подойдут только динамики с низким значением Fs.

Qts — полная добротность

Qts определяется через два параметра: добротность механическую и электрическую. Для начала нужно понять, что же такое добротность вообще. Мы уже сказали, что у динамика есть собственная резонансная частота — Fs. Теперь представим график этого резонанса: соответственно он будет выглядеть, как некоторый подъем с завалами по краям.

Но какова крутизна этих завалов? Правильно, она может быть различна. И здесь мы подходим к понятию добротности. Пологие завалы вокруг пика — это низкая добротность, а крутые — высокая. От чего зависит эта крутизна? Если не рассматривать электрическую составляющую (контроль колебаний диффузора катушкой) то от соотношения упругости и вязкости подвеса. Думаю, это очевидно. Ведь более упругая система будет иметь более острый резонанс, чем вязкая.

Так добротность выглядит графически. Основной же ее физический смысл в том, что в динамике с низкой добротностью возбужденные колебания затухают быстро, а в динамике с высокой добротностью колебательная система в течение большего времени продолжает свои колебания. Таким образом, диффузор с низкой добротностью лучше контролируется за счет вязкости подвеса (механическая добротность) и за счет контроля со стороны катушки (электрическая добротность).

Стоит также сказать, что контроль движения диффузора зависит еще и от внутреннего сопротивления выходного каскада усилителя. Ведь если оно будет низким (существенно ниже сопротивления динамика), то обратная индукция, наводимая в катушке от остаточных колебаний, будет возбуждать в ней ток, который гасится на низком сопротивлении выходного каскада и этим остаточным колебаниям противодействует.

Рассмотрим подробнее понятия электрической и механической добротности.

Qms — механическая добротность

Описанное выше и есть механическая добротность — Qms. Можно сказать, что это механическая составляющая полной добротности, имея в виду, что нас интересует в первую очередь, добротность общая.

Qes — электрическая добротность

Электрическая добротность — это электрическая составляющая общей добротности. Поскольку мотор динамика существует и контролирует движение колебательной системы (диффузор — подвес — центрирующая шайба) понятно, что он будет вносить в общую добротность свой вклад, не давая механической колебательной системе колебаться в своем режиме. Это и есть фактор электрической добротности.

Изначально, кстати, Тиль предлагал в расчетах учитывать именно электрическую добротность, а внесение в список параметров механической добротности — однозначно заслуга Смолла.

Уяснив значение механической и электрической составляющей добротности отметим, что Qts = (Qms x Qes) / (Qms + Qes), при этом низкой считается полная добротность динамика меньше 0,3 — 0,35; высокой — больше 0,5 — 0,6.

В качестве примера давайте вернемся к нашему 800ГДН14-8, производства ЗАО «НОЭМА» (Новосибирск):

• Qms — 5.84
• Qes — 0.40
• Qts — 0.37

Показатель общей добротности 0.37 позволяет нам применить такую головку в «закрытом ящике». Рассчитывая последний, будем стремиться к добротности головки в ЗЯ порядка 0,7 (но подробно об этом — в материале по расчету такого акустического оформления).

Vas — эквивалентный объем

Эквивалентный объем — объем воздуха при монтаже головки в закрытый ящик, обладающий той же упругостью, что и подвижная система головки. Чем больше диаметр и мягче подвижная система, тем больше получается Vas. Хотя, определяя эквивалентный объем, мы говорили о закрытом ящике, этот параметр используется и при расчете других акустических оформлений и входит в список основных параметров Тиля-Смолла.

Для нашего героя — 800ГДН14-8 — эквивалентный объем равен 327 л. Немало!

Итак, мы разобрали основные параметры, для расчета акустического оформления, однако в формулах и программном обеспечении применяются и дополнительные. Их тоже стоит назвать, а лучше перечислить сразу все:

• Резонансная частота головки в герцах — Fs (Гц)
• Активное сопротивление катушки — Re (Ом)
• Полная добротность головки на частоте Fs — Qts
• Электрическая добротность головки на частоте Fs — Qes
• Механическая добротность головки на частоте Fs — Qms
• Эквивалентный объем головки — Vas (Л)
• Диаметр диффузора — Dia (мм)
• Двигательная мощность головки — BL (Тл/м)
• Масса подвижной системы головки — Mms (г)
• Гибкость подвеса подвижной системы головки — Cms (мм/Н)
• Индуктивность звуковой катушки головки — Le (мГн)
• Максимальное линейное смещение подвижной системы — Хmах (мм)
• Максимальное смещение подвижной системы от центрального положения в одну сторону — Xmeh (мм)

Сопротивление, или импеданс динамической головки

Хотя в обыденной речи слова «сопротивление» и «импеданс» являются синонимами, при описании динамических головок первый термин принято относить к сопротивлению звуковой катушки постоянному току, а второй применять для описания зависимости ее сопротивления переменному сигналу в рабочем диапазоне частот.

В физике этого разделения также придерживаются и определяют «импеданс» как комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала, а сопротивление – как свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока.

Таким образом, сопротивление динамической головки обычно выражают числовым значением в омах, а для описания импеданса используется графическая форма представления (где по вертикальной оси отображают сопротивление, а по горизонтальной частоту).

Если сделать измерения и построить график импеданса для реальной динамической головки можно увидеть, что на ее резонансной частоте сопротивление будет максимальным. Собственно говоря, по этому графику мы и можем определить Fs.

Данный подход заложен в большое количество программных продуктов для проведения измерений параметров динамических головок и акустических систем. Обзор их и ссылки на скачивание вы найдете в нашем PDF-отчете «Лучшие сервисы и софт для разработки акустики».

Кривые импеданса используют при проектировании акустического оформления динамических головок. Сопротивление постоянному току обычно указывается в паспортных данных (как правило, от 4 до 16 Ом, но бывают и исключения). Сразу хочу сказать, что указанное в паспорте сопротивление часто бывает неточным, и при расчетах его стоит перепроверять, не полагаясь на производителя динамической головки.