В серии обучающих статей
для начинающих радиолюбителей приведены основные сведения по громкоговорителям (динамикам), и акустическим системам (колонкам) и их расчётам на примерах.

Часть 2. Измерение параметров Тиля-Смолла на примере. 

Вид акустического оформления и размеры корпуса АС определяются параметрами конкретной низкочастотной головки (параметры Тиля-Смолла), и несколько в меньшей степени параметрами разделительных фильтров и усилителя мощности, с которым АС придётся работать.

В первом приближении можно сказать, что чем больше диаметр НЧ головки, тем больше понадобится корпус. Если с местом размещением акустики проблем нет, и объём комнаты большой, то желательно выбрать и НЧ головку диаметром побольше: 250 - 315 - 360 или 380 мм. И наоборот, нет смысла ставить большие АС в маленькую комнату.

Выигрыш больших диаметров  будет в первую очередь в чувствительности и в расширении диапазона в НЧ область. Помочь добиться ровного, без подъёмов и спадов АЧХ воспроизведения самой нижней частоты от конкретной НЧ головки и призвана помочь эта статья.

Для измерения понадобится небольшая измерительная установка, приборы которой, как правило, уже имеются у радиолюбителей. Большую часть из них может заменить компьютер с соответствующей программой. Расчёт ведётся на калькуляторе простыми формулами с арифметическими действиями не сложнее корня квадратного.

Вполне по плечу тем, кто немного знаком с радиоэлектроникой.

Метод «тыка», которым так часто пользуются радиолюбители для подбора оформления, далеко не всегда приводит к желаемым результатам, и тем более 100%-ному использованию возможностей НЧ динамика. Слишком много в этом деле переменных величин. И уставший от бесконечного перебора вариантов наш коллега или разочаровывается, или застревает на решении, подчас далёком от оптимума.

Повторение чужих удачных конструкций также нередко чревато разочарованием. Головки имеют большой разброс характеристик. К тому же, что звучит у одного, с его ушами, усилителем, источником и комнатой прослушивания то у другого может не «зазвучать».

К вопросу выбора НЧ головки и стыка её с другими элементами тракта мы ещё вернёмся чуть позже. У многих они уже имеются, и они находятся на распутье, какую АС из них делать. А сейчас будем считать, что нам подвернулась парочка винтажных 8ГД-1 диаметром 250 мм. У нас имеется зала средних размеров, и мы не часто слушаем громкую музыку. Нам больше нужно качество. С размещением АС также проблем нет.

Для точного расчёта и затем выбора оптимального оформления произведём измерения параметров Тиля-Смолла.

Для этого собираем измерительную установку (см. рис. 1).

Блок генератора звуковых частот включает в себя собственно генератор, с мощным низкоомным выходом, стабильной во времени и по частоте неискажённой амплитудой на выходе в несколько вольт. Также в нём должна отображаться текущая частота, с точностью до 0,1 Гц, и он должен иметь плавную регулировку выходного напряжения. У нас есть ГЗ-109. В качестве этого блока можно использовать компьютер с программой для генератора звука и подключенный к нему любой бытовой УМЗЧ с положением тембров в «0».

Второй прибор - хороший тестер, для измерения низкоомных сопротивлений на постоянном токе. У нас есть ТЛ-4М.

Находим у себя, или покупаем набор точных резисторов. Ряд сопротивлений от 2,9 до 100 Ом в логарифмическом масштабе. У нас нашлись такие: марки УЛИ-1, 1%, измеренное сопротивление 3,018; С2-23, 5% измеренное 7,345 Ом; С2-23, 5%, измеренное 14,825 Ом; ПЭВ-25 измеренное 30,089 Ом; С2-23 измеренное 99,90 Ом. Резистор R2 10 Ом любой марки, на мощность выше 0,25 Вт.

Динамик 8ГД-1 имеет номинальное сопротивление 8 Ом. Измеряем тестером (ТЛ-4М) точное сопротивление из нашего набора, наиболее близкое к этому значению, это 7,345 Ом. Это будет наше калибровочное сопротивление Rк. Для этого ставим тестер на предел «Омы» и подстройкой добиваемся такого же показания прибора на его шкале, т.е. 7,35 Ом. Т.е калибруем его по известному близкому заведомо точному сопротивлению. Так точность измерения будет выше. Подсоединяем динамик и снимаем отсчёт сопротивления ЗК динамика постоянному току. Получилось Re = 6,70 Ом. Это нормально. Сопротивление постоянному току всех динамиков всегда ниже их номинального сопротивления переменному току.

Сопротивление R1 выбираем, как и указано на рисунке, в 200 раз больше сопротивления головки постоянному току Re:

200 х 6,70 = 1340 Ом

Находим резистор УЛИ-0,5 1,82 кОм, 1%.

1,82 кОм больше 1,340 кОм. Всё в порядке. Резистор подходит.

Измерения по этой методике проводится при постоянстве переменного тока через динамик. Для этого служит следующий узел – амперметр переменного тока. Показания измерительной головки V1 (вольтметра) снимаемые с резистора R2 пропорциональны току в динамике. Этот ток будет в пределах десятков мА. В качестве V1 используем осциллограф С1-68. Он также даст возможность контролировать форму напряжения. Чтобы случайно не «залезть» в область ограничения сигнала при его повышении. Также для этого годится любой вольтметр, который способен измерять милливольты - сотни милливольт.

С помощью регулятора уровня выходного напряжения блока генератора, поддерживаем этот ток неизменным.

Вольтметр V2 также должен точно измерять милливольты - сотни милливольт. Берём прибор В3-38.

Собираем установку. Впаиваем динамик, устанавливаем его на кусок толстой резины, «лицевой» стороной на край рабочего стола, клеммами вверх. Магнит подпираем немагнитной подставкой, через резиновую прокладку, и так, чтобы его ось была горизонтальной, и он был жёстко укреплён. Все остальные отражающие поверхности – подальше.

Включаем приборы, (на выходе подключен резистор Rк) прогреваем их 5 минут. Регулятор напряжения блока генератора устанавливаем на нулевое выходное напряжение, смотрим на V2 уровень наводок на измерительную установку. Их уровень должен быть меньше 1 мВ.

Делаем проверку пригодности динамика, подключив его вместо Rк. Для этого плавно меняем частоту от единиц Гц, до его верхней воспроизводимой частоты (по паспорту). Здесь это полоса от 17,7 Гц до 5 кГц, и смотрим за показаниями вольтметра V2. Кривая изменения комплексного сопротивления НЧ динамика должна быть плавной, без резких дополнительных пиков и провалов. Она должна иметь вид чёрной кривой на рис 2. «Горб» основного резонанса в воздухе Fs* должен быть один и в одной точке. У нас получилось всё в порядке. Кривая плавная.

Устанавливаем регулятором уровня напряжения генератора уровень напряжения на макушке «горба», примерно равный 70 мВ. Оставляем на генераторе частоту резонанса Fs*.

Идем далее. Включаем в измерительную установку (не выключая её) вместо динамика калибровочный резистор Rк. Измеряем на нём напряжение, оно составило 7,70  мВ. Записываем уровень напряжения (синусоиды) на осциллографе (вольтметре) V1 и далее регулятором поддерживаем его на постоянном уровнe!  

Вычисляем напряжение Uе, эквивалентное соответствующему сопротивлению головки постоянному току. Для этого подставляем измеренные величины в формулу 1.

Подключаем вместо Rк динамик 8ГД-1. Приборы при этом не выключаем. Плавно повышаем частоту, начиная от нескольких Гц, снова находим максимум напряжения на частоте основного резонанса Fs*. Считываем показания V2 и записываем их как Us. Находим слева и справа на крутых скатах «горба» точки F1 и F2, где напряжение U1 и U2 равно 0,7Us=49 мВ и записываем. Измерения проводим 5 раз. Полученные данные усредняем, и всё записываем в Таблицу 1.

 Производим самопроверку. Для этого  в формулу 2 подставляем полученные средние значения

Полученное значение Fs*не отличается больше чем на 1 Гц от измеренного, значит, измерения точны, продолжаем дальше. Подставляем полученные данные в формулы и  вычисляем механическую добротность обусловленную активными потерями Qa* затем электрическую (потери от торможения звуковой катушки при движении в магнитном поле зазора) Qe* и полную Qt*.

Для определения эквивалентного объёма Vas помещаем головку 8ГД-1 в измерительный ящик-фазоинвертор. Это не значит, что именно таким будет её оформление, просто так будут точнее измерения.

Ящик может иметь любой внутренний объём. Желательно, чтобы он сильно не отличался от паспортного значения эквивалентного объёма. У нас есть под рукой герметичный крепкий корпус с внутренним объёмом 67 л, трубой ФИ и посадочным отверстием под 30ГД-2. Оно совпадает с посадочными размерами 8ГД-1, только эту головку устанавливаем в него магнитом наружу, чтобы она не вытесняла известный внутренний объём.

Вновь включаем измерительную установку с динамиком 8ГД-1.

Плавно изменяя частоту генератора, находим измерительные точки FL, Fb, Fh, указанные на рисунке. Fb - это частота настройки фазоинвертора.

Должна получиться кривая, как на рисунке 3.

Заносим эти результаты в таблицу 2.

Находим резонансную частоту головки Fs с учётом присоединённой массы воздуха по формуле 5.

Таким образом, резонансная частота понизилась с 31,6 Гц до 27,1 Гц.

Рассчитываем  отношение эквивалентного объёма Vas к объёму измерительного ящика V по формуле 6.

Так как объём ящика известен, то находим эквивалентный объём этого экземпляра динамика 8ГД-1.

Уточняем значения добротности с учётом влияния присоединённой массы воздуха, при работе  головки в объёме любого оформления по формулам:

 Уточняем полную добротность. При работе с усилителем, имеющим практически нулевое выходное сопротивление, она составит:

Основные параметры Тиля - Смолла НЧ головки 8ГД-1 измерены. Для расчёта АС их вполне достаточно.

Перечислим их:

1.      Сопротивление постоянному току-----------------------------------Re = 6,70 Ом;

2.      Резонансная частота головки:

в воздухе-----------------------------------------------------------F*s=31,6 Гц;

с учётом присоединённой массы воздуха

при работе в оформлении--------------------------------------Fs=27,1 Гц;

3.      Добротности (с учётом работы в оформлении):

Механическая-----------------------------------------------------Qa=4,08

Электрическая----------------------------------------------------Qe=0,428

Полная--------------------------------------------------------------Qt=0,387

4.      Эквивалентный объём--------------------------------------------------Vas=113 л.

Для принятия дальнейших решений нам ещё должны быть известны её (8ГД-1) такие паспортныё показатели:

чувствительность-------------------------------------------------90 Дб/Вт/м;

диапазон воспроизводимых частот---------------------------40 - 1000 Гц;

паспортная мощность--------------------------------------------30 Вт;

Все расчёты сделаны по книге «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками» Виноградова Э. Л, М. «Энергия» 1978 г.

Она есть в нашей библиотеке файлов на сайте.

В расчётах, для упрощения изложения материала, не указано измерение добротности корпуса и определение сопротивления динамика на разных частотах.

Мы это наверстаем в следующих частях.

Если у Вас есть вопросы по этой статье, тогда заходите с ними на наш форум!

9.12.2010                                                                                         P.S.V.