Контекст
В предыдущей части нашего разговора выяснилось, чем хороши различные типы акустического оформления и чем плохи. Казалось бы, теперь “цели ясны, за работу, товарищи..” Не тут-то было. Во-первых, акустическое оформление, в которое не установлен собственно динамик – всего лишь с той или иной степенью тщательности собранная коробка. А зачастую и собрать-то ее нельзя, пока не будет определено, какой динамик окажется в нее установлен. Во-вторых, и в этом главная потеха в проектировании и изготовлении автомобильных сабвуферов – характеристики сабвуфера немногого стоят вне контекста характеристик, хотя бы самых основных, автомобиля, где он будет работать. Есть еще и в-третьих. Мобильная акустическая система, одинаково приспособленная для любой музыки – редко достигаемый идеал. Грамотного установщика можно узнать обычно по тому, что, “снимая показания” с клиента, заказывающего аудиоустановку, он просит принести образцы того, что клиент будет слушать на заказанной им системе после ее завершения.
Как видно, факторов, влияющих на решение – очень много и свести все к простым и однозначным рецептам нет никакой возможности, что и превращает создание мобильных аудиоустановок в занятие сильно родственное искусству. Но некоторые общие ориентиры наметить все же можно.
Цифирь
Робких, ленивых и гуманитарно образованных спешу предупредить – формул практически не будет. Покуда возможно, попытаемся обойтись даже без калькулятора – забытым методом устного счета.
Сабвуферы – единственное звено автомобильной акустики, где измерение гармонии алгеброй – дело небезнадежное. Прямее скажу – без расчета спроектировать сабвуфер просто немыслимо. В качестве же исходных данных для этого расчета выступают параметры динамика. Какие? Да уж не те, которыми вас гипнотизируют в магазине, будьте уверены! Для расчета, даже самого приблизительного, характеристик низкочастотного громкоговорителя требуется знать его электромеханические параметры, которых – тьма. Это и резонансная частота, и масса подвижной системы, и индукция в зазоре магнитной системы и еще по меньшей мере два десятка показателей, понятных и не очень. Расстроены? Неудивительно. Так же расстроены оказались лет около двадцати назад два австралийца – Ричард Смолл и Невил Тиль. Они предложили вместо гор цифири использовать универсальный и довольно компактный набор характеристик, увековечивший, вполне заслуженно, их имена. Теперь, когда вы увидите в описании динамика таблицу, озаглавленную Thiel/Small parameters ( или просто T/S) – вы знаете, о чем речь. А если такой таблицы вы не найдете – переходите к следующему варианту – этот – безнадежен.
Минимальный набор характеристик, которые вам понадобится выяснить – это:
- Собственная резонансная частота динамика Fs
- Полная добротность Qts
- Эквивалентный объем Vas.
В принципе, есть и другие характеристики, которые полезно было бы знать, но этого, в общем-то, хватит. (сюда не включен диаметр динамика, поскольку его и так видно, без документации.) Если хотя бы одного параметра из “чрезвычайной тройки” нехватает, дело – швах. Ну а теперь – что все это означает.
Собственная частота – это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется – динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик – массы подвижной системы и жесткости подвески. Бытует мнение, что чем ниже резонансная частота, тем лучше выйдет сабвуфер. Это верно только отчасти, для некоторых конструкций излишне низкая частота резонанса – помеха. Для ориентира: низкая – это 20 – 25 Гц. Ниже 20 Гц – редкость. Выше 40 Гц – считается высокой, для сабвуфера.
Полная добротность. Добротность в данном случае- не качество изделия, а соотношение упругих и вязких сил, существующих в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Подвижная система динамика во много сродни подвеске автомобиля, где есть пружина и амортизатор. Пружина создает упругие силы, то есть накапливает и отдает энергию в процессе колебаний, а амортизатор – источник вязкого сопротивления, он ничего не накапливает, а поглощает и рассеивает в виде тепла. То же самое происходит при колебаниях диффузора и всего, что к нему прикреплено. Высокое значение добротности означает, что преобладают упругие силы. Это – как автомобиль без амортизаторов. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Прыгать на той самой резонансной частоте, которая присуща этой колебательной системе.
Применительно к громкоговорителю это означает выброс частотной характеристики на частоте резонанса, тем больий, чем выше полная добротность системы. Самая высокая добротность, измеряемая тысячами – у колокола, который в результате ни на какой частоте, кроме резонансной звучать не желает, благо еще, что этого от него никто и не требует.
Популярный метод диагностики подвески машины покачиванием – не что иное как измерение добротности подвески кустарным способом. Если теперь привести подвеску в порядок, то есть прицепить параллельно пружине амортизатор, накопленная при сжатии пружины энергия уже не вся вернется обратно, а частично будет загублена амортизатором. Это – снижение добротности системы. Теперь опять вернемся к динамику. Ничего, что мы туда-сюда ходим? Это, говорят, полезно…С пружиной у динамика все, вроде бы, ясно. Это – подвеска диффузора. А амортизатор? Амортизаторов – целых два, работающих параллельно. Полная добротность динамика складывается из двух: механической и электрической. Механическая добротность определяется главным образом выбором материала подвеса, причем в основном – центрирующей шайбы, а не внешнего гофра, как иногда полагают. Больших потерь здесь обычно не бывает и вклад механической добротности в полную не превышает 10 – 15%. Основной вклад принадлежит электрической добротности. Самый жесткий амортизатор, работающий в колебательной системе динамика – это ансамбль из звуковой катушки и магнита. Будучи по своей природе электромотором, он как и полагается мотору, может работать как генератор и именно этим и занят вблизи частоты резонанса, когда скорость и амплитуда перемещения звуковой катушки – максимальны. Двигаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает ток, а нагрузкой для такого генератора служит выходное сопротивление усилителя, то есть практически – ноль. Получается такой же электрический тормоз, каким снабжены все электрички. Там тоже при торможении тяговые двигатели заставляют работать в режиме генераторов, а нагрузка их – батареи тормозных сопротивлений на крыше.
Величина вырабатываемого тока будет, естественно, тем больше, чем сильнее магнитное поле, в котором движется звуковая катушка. Получается, что чем мощнее магнит динамика, тем ниже, при прочих равных, его добротность. Но, конечно, поскольку в формировании этой величины участвуют и длина провода обмотки, и ширина зазора в магнитной системе, окончательный вывод только на основании размера магнита было бы делать преждевременно. А предварительный – почему нет?…
Базовые понятия – низкой считается полная добротность динамика меньше 0,3 – 0,35; высокой – больше 0,5 – 0,6.
Эквивалентный объем. Большинство современных головок громкоговорителей основано на принципе “акустического подвеса“.
Именно это обстоятельство зачастую определяет выбор размера динамика, исходя из имеющегося объема для размещения его акустического оформления. Большие диффузоры создают предпосылки для высокой отдачи сабвуфера, но требуют и больших объемов. Аргумент из репертуара комнаты в конце школьного коридора “а у меня больше” здесь надо применять осмотрительно.
У эквивалентного объема интересные родственные связи с резонансной частотой, без осознания которых легко промахнуться. Резонансная частота определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем – диаметром диффузора и той же жесткостью.
В результате возможна такая ситуация. Предположим, имеется два динамика одинакового размера и с одинаковой частотой резонанса. Но только у одного из них это значение частоты получилось вследствие тяжелого диффузора и жесткой подвески, а у другого – наоборот, легкого диффузора на мягком подвесе. Эквивалентный объем у такой парочки при всей внешней схожести может различаться очень существенно, и при установке в один и тот же ящик результаты будут драматически различны.
Итак, установив, что означают жизненно важные параметры, начнем наконец выбирать суженого. Модель будет такая – считаем, что вы определились, на основе, скажем, материалов предыдущей статьи этой серии, с типом акустического оформления и теперь надо выбрать для него динамик из сотен альтернатив. Освоив этот процесс, обратный, то есть выбор подходящего оформления под выбранный динамик, дастся вам без труда. В смысле – почти без труда.
Закрытый ящик
Как было сказано в приведенной статье, закрытый ящик – простейшее акустичнское оформление, но далеко не примитивное, напротив, имеющее, в особенности в автомобиле, ряд важнейших преимуществ перед другими. Популярность его в мобильных приложениях нисколько не угасает, потому с него и начнем.
Что происходит с характеристиками динамика при установке в закрытый ящик? Это зависит от одной-единственной величины – объема ящика. Если объем настолько велик, что динамик его практически не замечает, мы приходим к варианту бесконечного экрана. На практике такая ситуация достигается, когда объем ящика (или другого замкнутого объема, находящегося позади диффузора, а проще говоря, что там скрывать – багажника автомобиля) превышает эквивалентный объем динамика втрое или больше. Если такое соотношение выполняется, резонансная частота и полная добротность системы останутся практически такими же, какими они были у динамика. А значит – их и выбирать надо соответственно. Известно, что акустическая система будет обладать наиболее гладкой частотной характеристикой при величине полной добротности, равной 0,7. При меньших значениях улучшаются импульсные характеристики, но спад частотки начинается довольно высоко по частоте. При больших – частотная характеристика приобретает подъем вблизи резонанса, а переходные характеристики несколько ухудшаются. Если вы ориентируетесь на классическую музыку, джаз или акустические жанры – оптимальным выбором будет несколько передемпфированная система с добротностью 0,5 – 0,7. Для более энергичных жанров не повредит подчеркивание низов, которое достигается при добротности 0,8 – 0,9. И наконец, любители рэпа оттянутся по полной программе, если из система будет обладать добротностью, равной единице или даже выше. Значение 1,2 надо, пожалуй, признать предельным для любого жанра, претендующего на музыкальность.
Надо еще иметь в виду, что при установке сабвуфера в салоне машины происходит подъем низких частот, начиная с определенной частоты, обусловленной размерами салона. Типичные значения для начала подъема АЧХ 40 Гц для большой машины, вроде джипа или мини-вэна; 50 – 60 для средней, вроде восьмерки или “корейки”; 70 – 75 для маленькой, с Таврию.
Теперь ясно – для установки в режиме бесконечного экрана ( или Freeair, если вас не смущает, что последнее название запатентовано Stillwater Designs) нужен динамик с полной добротностью не ниже 0,5, а то и выше и резонансной частотой никак не ниже герц эдак 40 – 60, в зависимости от того, во что будете ставить. Такие параметры обычно означают довольно жесткий подвес, только это и спасает динамик от перегрузки в условиях отсутствия “акустической поддержки” со стороны закрытого объема. Вот пример – фирма Infinity выпускает в сериях Reference и Kappa варианты одних и тех же головок с индексами br (bass reflex) и ib (infinite baffle).Параметры Тиля-Смолла, например, у десятидюймовой Reference различаются так:
| Параметр T/S | 1000w.br | 1000w.ib |
| Fs | 26 Гц | 40 Гц |
| Qts | 0,28 | 0,77 |
| Vas | 83 л | 50 л |
Видно, что вариант ib по резонансной частоте и добротности – готовенький для работы “как есть”, а судя и по частоте резонанса и по эквивалентному объему – эта модификация намного жестче другой, оптимизированной для работы в фазоинверторе, а, значит, более вероятно выживет в нелегких условиях Freeair.
А что случится, если, не обратив внимания на маленькие буковки, вы загоните в эти условия похожий, как две капли воды динамик с индексом br? А вот что: из-за низкой добротности частотная характеристика начнет заваливаться уже на частотах около 70 – 80 Гц, а ничем не сдерживаемая “мягкая” головка будет себя чувствовать очень неуютно на нижнем краю диапазона, причем перегрузить ее там – проще простого.
Итак, договорились:
Для применения в режиме “бесконечного экрана” надо выбирать динамик с высокой полной добротностью (не меньше 0,5) и резонансной частотой (не ниже 45 Гц), уточнив эти требования в зависимости от типа преимущественного музыкального материала и размера салона.
Теперь о “небесконечном” объеме. Если поставить динамик в объем, сопоставимый с его эквивалентным объемом, система приобретет характеристики, существенно отличающиеся от тех, с которыми в эту систему явился динамик. Прежде всего при установке в закрытый объем возрастет резонансная частота. Жесткость-то увеличилась, а масса – осталась прежней. Возрастет и добротность. Судите сами – приставив в помощь жесткости подвеса жесткость небольшого, то есть неподатливого воздушного объема, мы тем самым как бы поставили вторую пружину, а амортизатор оставили старый.
С уменьшением объема добротность системы и ее резонансная частота растут одинаково. Значит, если мы увидели динамик с добротностью, скажем, 0,25, а хотим иметь систему с добротностью, скажем, 0,75, то резонансная частота тоже увеличится втрое. А какая она там у динамика? 35 Гц? Так значит, в правильном, с точки зрения формы частотной характеристики, объеме она окажется 105 Гц, а это, знаете ли, уже не сабвуфер. Значит – на подходит. Вот видите, и калькулятор не понадобился. Смотрим другой. Резонансная частота 25 Гц, добротность 0,4. Получается система с добротностью 0,75 и частотой резонанса где-то около 47 Гц. Вполне достойно. Попробуем тут же, не отходя от прилавка, прикинуть, какого объема понадобится ящик. Написано, что Vas = 160 л (или же 6 cu.ft, что более вероятно).
(Тут бы формулу написать – она простенькая, но нельзя – обещал). Поэтому для расчетов у прилавка дам шпаргалку: скопируйте и положите в бумажник, если покупка басового динамика входит в планы вашего шопинга:
У нас – примерно вдвое, так что получается ящичек объемом литров 50 – 60. Многовато будет….Давайте следующий. И так далее.
Получается, что для того, чтобы вышло мыслимое акустическое оформление, параметры динамика мало того, что должны находиться в каком-то определенном коридоре значений, но еще и быть увязаны между собой.
Эту увязку опытные люди свели в показатель Fs/Qts.
Если величина Fs/Qts составляет 50 или меньше, динамик рожден для закрытого ящика. Необходимый объем ящика при этом будет тем меньше, чем ниже Fs или чем меньше Vas.
По внешним данным “прирожденных затворников” можно узнать по тяжелым диффузорами и мягким подвесам (что дает низкую резонансную частоту), не очень большим магнитам (чтобы добротность была не слишком низкой), длинным звуковым катушкам (поскольку ход диффузора у динамика, работающего в закрытом ящике, может достигать довольно больших значений).
Фазоинвертор
Другой тип популярного акустического оформления – фазоинвертор, при всем горячем желании у прилавка посчитать нельзя, даже приблизительно. Но прикинуть пригодность для него динамика – можно. А про расчет мы вообще будем говорить отдельно.
Резонансная частота системы этого типа определяется уже не одной только резонансной частотой динамика, но и настройкой фазоинвертора. Это же относится и к добротности системы, которая может существенно меняться с изменением длины тоннеля даже при неизменном объеме корпуса. Поскольку фазоинвертор может быть, в отличие от закрытого ящика, настроен на частоту, близкую или даже ниже, чем у динамика, собственной резонансной частоте головки “позволено” быть выше, чем в предыдущем случае. Это означает, при удачном выборе, более легкий диффузор и, как следствие, улучшение импульсных характеристик, в чем фазоинвертор нуждается, поскольку его “врожденные” переходные характеристики не из лучших, хуже, чем у закрытого ящика, по крайней мере. Зато добротность желательно иметь возможно ниже, не больше 0,35. Сводя это в тот же показатель Fs/Qts, формула выбора динамика для фазоинвертора выглядит просто:
Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше.
Внешние признаки фазоинверсной породы: легкие диффузоры и мощные магниты.
Бандпассы (совсем коротко)
Полосовые громкоговорители, при всех своих громких достоинствах (это в смысле наибольшей эффективности, в сравнении с другими типами) – наиболее сложны в расчете и изготовлении, а согласование их характеристик с внутренней акустикой автомобиля при недостаточном опыте может превратиться в кромешный ад, поэтому с этим видом акустического оформления лучше идти по камушкам и воспользоваться рекомендациями изготовителей динамиков, хоть это и связывает руки. Однако, если руки все же находятся в развязанном состоянии и чешутся попробовать: для одиночных бандпассов подходят практически те же динамики, что и для фазоинверторов, а для двойных или квазиполосовых – они же или, что более желательно, головки с показателем Fs/Qts равным 100 и выше.
Как все это рассчитать уже отойдя от прилавка – в следующий раз.
Публикуется с разрешения журнала “Автозвук“