Резонансная частота динамика: Качественное звучание в автомобиле? С сабвуфером это очень просто!

Качественное звучание в автомобиле? С сабвуфером это очень просто!

Вас никогда не интересовало, почему порой сабвуфер звучит тихо, или не играет, а только гудит, почему невозможно добиться качественного и плотного баса? Вы никогда не задавались вопросом, какие ключевые параметры наилучшим образом характеризуют качество сабвуфера? Впрочем, возможно вам это просто не интересно, так как вы не собираетесь проектировать правильное акустическое оформление для автомобильного сабвуферного динамика. Только в таком случае невозможно будет найти правильные ответы на перечисленные выше вопросы. Поэтому вспомните истину – знания лишними не бывают.

Прежде всего, что это такое сабвуфер и зачем нужен, можно ли без него обойтись… Так вот, сабвуфер является отдельной акустической системой, которая предназначается для полноценного и качественного воспроизведения низкочастотного звукового диапазона, примерно от 5-ти до 80-ти Гц. Применение сабвуферов вызвано тем, что звук относительно плохо локализуется. Соответственно, изготавливая многополосную аудиосистему можно собрать одну относительно небольшую низкочастотную колонку для всей системы, в остальных колонках разместить только динамики средней и высокой частоты.

Можно ли обойтись без сабвуфера? Безусловно, можно. Внимательно осмотрите любой автомобиль старой модели. Если там и есть аудиосистема, то довольно примитивная. Сабвуфера там точно нет. А теперь послушайте звучание. Хотите обходиться без сабвуфера, получите точно такое же звучание. И все усилия по его улучшению не будут иметь положительного результата. Обычная акустика просто не способна обеспечить настоящие баса, а без них вы будете слышать только жалкую пародию на качественное, яркое и сочное звучание.

И только сабвуфер, разгрузив акустику в низкочастотном диапазоне, «освободив» фронтальную акустику от перегрузок басами, значительно повысит качество звучания, обеспечивая приятное прослушивание любимых музыкальный произведений вам и вашим попутчикам, особенно во время длительных автомобильных путешествий.

Понимание основных параметров сабвуферной акустической системы может понадобиться вам как при самостоятельном проектировании и изготовлении ящика для своего сабвуфера, так и при покупке готового сабвуфера. Набор минимальной информации для расчета и приобретения сабвуферной акустики состоит из резонансной частоты динамика (Fs), полной добротности (Qts) и эквивалентного объема (Vas). Незнание даже одного из приведенных параметров не позволит ни собрать акустику самостоятельно, ни выбрать сабвуфер высокого качества. Обратите внимание, что замерить эти показатели в домашних условиях невозможно.

Резонансная частота – Fs.

Резонансной частотой динамика принято считать частоту резонанса динамика свободного от любого акустического оформления. Измерение резонансной частоты выполняется следующим образом. Динамик подвешивается на как можно отдаленном расстоянии от ближайших окружающих предметов. В таком случае на показания измерений резонанса динамика не будут влиять сторонние предметы, а будет только показывать его собственные характеристики в зависимости от жесткости подвески и массы подвижной системы. Существует мнение, что сабвуфер получится наиболее качественный, чем ниже показатель резонансной частоты. Мнение является правильным только отчасти. В некоторых конструкциях очень низкая частота резонанса является больше помехой. Ориентировочно, оптимальной низкой частотой является 20 – 25 Гц. Резонансную частоту, превышающую 40 Гц, принято считать высокой для сабвуфера.

Полная добротность – Qts.

В данном случае добротность не имеет никакого отношения к качеству изделия. Этот показатель применяется для измерения соотношения упругих и вязких сил, которые существуют в подвижной системе динамика около частоты резонанса. Подвижную систему динамика можно сравнить с подвеской автомобиля, в состав которой входит пружина и амортизатор. С помощью пружины создаются упругие силы, то есть происходит накопление и выделение энергии в процессе колебаний. Амортизатор является источником вязкого сопротивления. В отличие от пружины амортизатор не накапливает энергии, а поглощает ее и рассеивает в виде тепла.

Подобные процессы происходят и при колебаниях диффузора и всех прикрепленных к нему деталей. Высокое значение показателя добротности означает преобладание упругих сил. Это похоже на автомобиль без амортизаторов. Любой камешек или рытвина на дороге вызовет ничем не сдерживаемые прыжки колеса и довольно неприятные ощущения у водителя. Достаточно наехать на камешек и колесо начнет прыгать, ничем не сдерживаемое. Можно сказать, что колебания колеса будут происходить с резонансной частотой, присущей именно этой колебательной системе.

Относительно громкоговорителя, в этой ситуации происходит выброс частотной характеристики на частоте резонанса. Чем выше значение полной добротности системы, тем больше значение выброса. Самой высокой добротностью, в пределах тысяч единиц, обладает колокол. Соответственно, колокол может звучать исключительно на резонансной частоте. Собственно, в этом его и состоит его предназначение. Измерение добротности подвески кустарным образом можно сравнить с популярным методом диагностики подвески автомобиля его покачиванием.

Если параллельно пружине присоединить амортизатор, фактически отремонтировать подвеску, энергия, накопленная в процессе сжатия пружины, частично будет поглощена амортизатором, и возвратится только малая ее часть. Таким образом, добротность системы будет снижена. Если вернуться к динамику, то становится понятным, что подвеска диффузора выполняет роль своеобразной пружины. Амортизаторов у динамика целых два. Работают они параллельно. А полная добротность динамика равна сумме двух показателей – механической и электрической добротности.

Добротность механическая зависит, прежде всего, от выбранного материала подвеса, в основном, центрирующей шайбы. Именно материал шайбы, а не внешнего гофра, определяет показатель механической добротности. Как правило, больших потерь в механической составляющей не наблюдается. Соответственно, удельный вес механической добротности в полной не превышает 10 – 15 процентов. Основную долю составляет значение электрической добротности. Самым жестким амортизатором, который работает в колебательной системе динамика, является комплекс магнита и звуковой катушки. Являясь фактически электромотором, этот комплекс может работать как генератор, работающий около частоты резонанса, при максимальной скорости и амплитуде перемещений звуковой катушки.

При движении в магнитном поле, в катушке вырабатывается ток. Нагрузкой для этого генератора является выходное сопротивление усилителя, равное практически нулю. Получается электрический тормоз подобный тем, какими комплектуются все электрички. При торможении электрички тяговые двигатели начинают функционировать как генераторы, нагрузкой которого является батарея тормозных сопротивлений, расположенная на крыше. Чем сильнее магнитное поле, в котором колеблется звуковая катушка, тем большим будет значение вырабатываемого тока.

Таким образом, добротность динамика является обратно пропорциональной мощности его магнита – чем мощнее магнит, тем ниже добротность. Однако, такой вывод верен при отсутствии других составляющих. Так как на добротность влияет и ширина зазора в магнитной системе, и длина провода обмотки, то не стоит учитывать при окончательных расчетах только размеры магнита. Принято считать, что низкая полная добротность динамика не превышает 0,3 – 0,35, высокая составляет более 0,5 – 0,6.

Эквивалентный объем – Vas.

И наконец, последняя характеристика – эквивалентный объем. Современные головки преимущественно конструируются с учетом принципа «акустического подвеса». Суть концепции акустического подвеса состоит в размещении динамика в определенном объеме воздуха, показатель упругости которого можно сопоставить с показателем упругости подвеса динамика. Фактически получается, что параллельно уже установленной пружине в подвеске размещается еще одна. При этом значение эквивалентного объема будет таким, при котором новая пружина равняется по упругости установленной ранее.

На величину эквивалентного объема в большей степени оказывают влияние жесткость подвеса и диаметр динамика. Величина воздушной подушки, которая начинает беспокоить динамик, будет тем больше чем мягче подвес. Так же происходит и изменение диаметра диффузора. Диффузор большого диаметра при одном и том же смещении сильнее сжимает воздух внутри ящика, соответственно, при этом испытывает максимальную ответную упругость воздушного объема. Собственно говоря, именно такая ситуация зачастую является определяющей при выборе размера динамика, учитывая имеющийся объем для размещения акустического оформления.

Диффузор большого диаметра создает предпосылки для более высокой отдачи сабвуфера, однако требует и большего объема. Эквивалентный объем очень интересно связан с резонансной частотой. Не зная их взаимного влияния, легко ошибиться в расчетах. Жесткость подвеса и масса подвижной системы определяют резонансную частоту. Диаметр диффузора, а также жесткость подвеса определяют эквивалентный объем.

Как результат может быть возможной следующая ситуация. Предположительно существуют два динамика абсолютно одинакового размера и с абсолютно одинаковой частотой резонанса. Однако у одного из динамиков частота резонанса сформирована за счет жесткой подвески и тяжелого диффузора. Во втором наоборот – имеется легкий диффузор и мягкий подвес. При внешней схожести этих динамиков существенно может отличаться значение эквивалентного объема, что может привести к непредсказуемым последствиям при установке динамиков в одинаковые ящики.

Назад в Статьи

Похожие статьи:

Параметры Тиля — Смолла (Fs, Qts, Vas) ⋆ Doctor BASS

Параметры сабвуфера Fs, Qts, Vas. Параметры Тиля — Смолла

Тиль и Смолл

Тиль и Смолл это два ученых, которые сформировали единый, общепринятый подход к вычислению характеристик низкочастотных динамиков на основе основных параметров (Fs, Qts, Vas).

Невил Тиль/A. Neville Thiele (слева), Ричард (Рихард) Смолл/Richard Small (справа)

Параметры Тиля — Смолла определяют поведение динамика в диапазоне низких частот

Для нас с вами эти параметры очень важны, так как они используются для расчета правильного акустического оформления динамика или проще — для расчета корпуса сабвуфера. Все необходимые данные вы можете найти в технической документации на саб, часто они указываются и на коробках. Ниже мы подробнее рассмотрим основные параметры для понимания звуковых процессов и нюансов при выборе сабвуфера.

Параметры (Fs, Qts, Vas)

Fs — резонансная частота динамика

Резонансная частота (Fs) — частота резонанса сабвуфера без акустического оформления (без корпуса).

Fs меньше 25 Гц считается низкой, а больше 40 Гц — высокой. Резонансная частота  зависит от общей жесткости подвеса сабвуфера  и массы его подвижной системы. Общая жесткость, в свою очередь, зависит от жесткости центрирующей шайбы и жесткости подвеса диффузора. 

Спойлер

Fs — резонансная частота динамика, Гц

,

где:

Сms — гибкость подвеса подвижной системы динамика, м/Н,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг.

Qts — полная добротность

Полная добротность (Qts)  — это упругость (контроль) динамика в районе резонансной частоты (Fs).

Другими словами — чем выше добротность, тем сильнее «болтается» саб в районе своей резонансной частоты (Fs), а чем ниже, тем эффективнее колебания гасятся (контролируются).

Складывается из механической добротности, которая зависит в основном от материала центрирующей шайбы, а не подвеса диффузора, как многие думают и электрической добротности, зависящей от величины магнита, длины обмотки катушки и ширины зазора в магнитной системе. От полной добротности механическая составляет 10-15%, а электрическая 90-85%, соответственно.

Низкой добротностью считается значение 0.3-0.35, высокой — 0.5-0.6.

Спойлер

Qts — полная добротность на частоте Fs,

,

где:

• Qms — механическая добротность на частоте Fs,

,

Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Rms — механическое сопротивление подвеса подвижной системы (определяет «потери» в подвесе), Н·с/м,

• Qes — электрическая добротность на частоте Fs,

,

Mms — масса подвижной системы (включая массу двигаемого воздуха), кг,

Fs — резонансная частота динамика, Гц,

Re — сопротивление звуковой катушки, Ом,

Bl — коэффициент электромеханической связи (индукция поля в магнитном зазоре умноженная на длину провода звуковой катушки), Тл·м.

Vas — эквивалентный объем

Эквивалентный объем (Vas) — объем воздуха в корпусе, обладающий той же упругостью, что и сабвуфер. Зависит от жесткости подвеса и площади диффузора (диаметра) динамика.

Чем больше диаметр и мягче сабвуфер, тем больше Vas.

Нужно отметить особенность  связи Vas и Fs. Так как, резонансная частота (Fs)  определяется жесткостью подвеса и массой подвижной системы, а эквивалентный объем (Vas) — диаметром диффузора и той же массой подвижки, может получится, что  два сабвуфера одного диаметра и с одинаковой Fs будут совершенно разными — один тяжелый и жесткий, другой легкий и мягкий. Соответственно, эквивалентный объем для этих динамиков будет совершенно разным, как и размер правильного корпуса — вот почему данный параметр очень важен при расчетах короба для саба.

Спойлер

Vas — эквивалентный объем, л,

,

где:

• ρ — 1,18421 кг/м³ — плотность воздуха при температуре 25 °C и влажности 0 %,
• с — 346,1 м/с — скорость звука при 25 °C,
• Sd — площадь диффузора, м.

Видео

Используйте параметры  Тиля — Смолла для того, чтобы рассчитать корпус для сабвуфера. Применяйте эти параметры для правильного выбора типа корпуса сабвуфера (ЗЯ, ФИ, ЧВ, FreeAir) или для подбора динамика под задуманный тип, как это правильно сделать читайте здесь.

Читать еще:

• (АЧХ) Амплитудно-частотная характеристика
• Как рассчитать корпус для сабвуфера
• Из чего состоит сабвуфер

Нажмите кнопку, чтобы поделиться материалом:

Важность резонансной частоты динамика

Переключить навигацию

Поиск

Поиск

Меню

Счет

Настройки

Язык

Представление магазина по умолчанию

options", "triggerTarget":"#switcher-language-trigger-nav", "closeOnMouseLeave": false, "triggerClass":"active", "parentClass":"active", "buttons":null}}»>

• Амазонка ПАЛ

• ДЗМ eBay

• Джет

• ПРИЯТЕЛЬ eBay

• Реверберация

Если вы когда-нибудь просматривали характеристики динамика, вы, вероятно, заметили, что на них указана определенная частота, например, 55 Гц или 75 Гц. Этот параметр известен как резонансная частота динамика. Каждый объект в мире имеет резонансную частоту. Это частота, с которой объект будет звучать или резонировать при ударе. Легкий объект обычно имеет более высокую резонансную частоту, чем тяжелый объект. Однако вес объекта не является единственным фактором, определяющим резонансную частоту, так как плотность объекта также играет роль.

Этот рейтинг особенно важен для говорящих по нескольким причинам. Во-первых, он используется для предотвращения «звона» шкафа. Если нота воспроизводится через динамик, и эта нота находится на резонансной частоте динамика, корпус динамика будет излучать этот звук. В громкоговорителе масса движущихся частей и жесткость подвески (объемного и крестовины) являются ключевыми элементами, влияющими на резонансную частоту. На протяжении многих лет производители работали над тем, чтобы приглушить свои шкафы различными способами.

Другая причина важности этого рейтинга связана со звуком. Как правило, более низкая резонансная частота указывает на то, что динамик лучше подходит для воспроизведения низких частот, чем динамик с более высокой частотой. Например, динамик на 55 Гц обычно предлагает более глубокий, басовый тон с слегка отведенными верхними средними частотами, в то время как модель на 75 Гц немного повышает резонансную частоту, что влияет на самые глубокие низы, но также немного подтягивает низы и выделяет звук. верхний средний диапазон. Следует отметить, что это не всегда так, поскольку на конечную производительность влияют и другие параметры.

Какие характеристики играют наиболее важную роль при выборе динамиков?

Выключите звук в разделе комментариев ниже!

Динамики гитарного усилителя
Басовый усилитель Динамики
Динамики PA

Влияние резонанса и резонансной частоты на аудиосистему

Почти все инженеры знакомы с концепцией резонанса и ее многочисленными последствиями при проектировании систем. Электрический, механический или смешанный резонанс может быть использован для улучшения конструкции, а может быть вредным и отрицательно сказаться на общей производительности. В этом блоге будет представлен обзор вопросов, связанных с резонансом, включая резонансную частоту, факторы, влияющие на резонанс в аудиоустройствах, способы использования кривой частотной характеристики и проблемы, связанные с собственным резонансом в зуммерах и динамиках.

Что такое резонанс и резонансная частота?

Резонанс возникает, когда физический объект или электронная схема поглощают энергию первоначального смещения или источника, а затем поддерживают результирующие механические или электрические колебания без дополнительной силы или энергии, воздействующей на них. Частота, при которой возникает эта вибрация, известна как резонансная частота, обозначаемая F0.

Примеры резонанса

Резонанс — это физическое явление, которое проявляется во многих формах и может возникать в любом диапазоне частот от низкочастотного звука до радиочастот на уровне ГГц. Вот лишь несколько примеров резонанса на практике:

• Детские качели представляют собой резонансный маятник, частота которого определяется длиной его веревки.
• Некоторые лазеры используют резонанс, основанный на отражениях между противоположными зеркальными поверхностями.
• В механических системах машина может чрезмерно трястись и вибрировать на своей резонансной частоте, когда скорость ее двигателя увеличивается от более низких к более высоким оборотам в минуту.
• В электронике стимулированный LC-фильтр будет резонировать как настроенный колебательный контур, чтобы установить рабочую частоту.
• Пьезоэлектрический кварцевый осциллятор, обеспечивающий тактовую частоту системы или синтезатора, является примером электромеханического резонанса.
• Динамик будет иметь резонансную частоту, при которой он наиболее эффективно преобразует входную электрическую мощность в выходную мощность звука.

Как и многие системные атрибуты, резонанс может быть полезным и использоваться для выделения желаемого атрибута или проблемы, которую необходимо решить и даже подавить. Он обеспечивает основные функции LC-контурных цепей и кварцевых генераторов, но может привести к саморазрушению механизмов. Для аудиоисточников, таких как зуммеры или динамики, это максимизирует SPL, но также может способствовать нежелательным гармоникам, которые иногда создают раздражающий гул и дребезжание корпуса или окружающих предметов.

Резонансные частоты аудиокомпонентов

Механический резонанс зависит от веса и жесткости, которые соединяют различные массы вместе. В случае стандартного динамика рассматриваемой массой будет диффузор (или диафрагма), а жесткость будет зависеть от гибкости подвески, соединяющей диффузор с рамой. Однако существует множество способов изготовления динамиков, а используемые материалы и способ их монтажа заставляют каждый тип динамиков давать разные резонансные частоты.

Стандартная конструкция динамика

Как уже упоминалось, стандартные динамики имеют диффузор, соединенный с рамой с помощью подвески. К задней части конуса также прикреплен электромагнитный магнит, который влияет на вес. В зависимости от материала конуса, толщины подвеса и размера электромагнита резонансная частота будет меняться. Как правило, более легкие, но более жесткие материалы и более гибкие подвесы обеспечивают более высокие резонансные частоты. По этой причине высокочастотные твитеры имеют небольшие размеры, а значит, легкие и обычно имеют жесткие майларовые конусы и очень гибкие подвески. В целом, изменяя эти факторы, стандартные динамики имеют частотный диапазон где-то между 20 Гц и 20 000 Гц.

Зуммер с магнитным преобразователем — это еще одно аудиоустройство, но они отделяют приводной механизм от механизма воспроизведения звука не так, как стандартный динамик. Диафрагма легче, а также более жестко прикреплена к раме, что увеличивает их нормальный частотный диапазон, а также уменьшает их диапазон. Зуммеры с магнитным преобразователем обычно воспроизводят звук в диапазоне 2–3 кГц и не требуют такого большого тока, как стандартный динамик для того же уровня звукового давления.

Типовая конструкция магнитного зуммера

Наконец, пьезоэлектрические преобразователи являются третьим способом генерации звука. Они используют пьезоэлектрический эффект, используя переменное электрическое поле, чтобы заставить материал изгибаться сначала в одну, а затем в другую сторону. Пьезоматериалы обычно довольно жесткие, а детали, используемые в пьезоэлектрических преобразователях, довольно маленькие и тонкие. Из-за этого, подобно зуммерам магнитных преобразователей, они производят высокочастотный шум, обычно от 1 до 5 кГц, с узким частотным диапазоном. Они даже более эффективны, чем магнитные зуммеры, поскольку обычно производят даже более высокий уровень звукового давления, чем магнитные зуммеры с таким же током.

Типовая конструкция пьезоэлектрического зуммера

Чтение резонанса на кривых частотной характеристики

Хотя можно провести тесты для определения резонансной частоты аудиоустройства, обычно в этом нет необходимости. Большинство производителей предоставляют в техническом описании график зависимости звукового давления от частоты, который показывает резонансную частоту вместе с общей частотной характеристикой. Однако производители не могут учитывать какие-либо изменения в этой спецификации резонансной частоты из-за монтажа, размера корпуса, конструкции и материала, используемого для интеграции аудиоустройства в общую систему. Несмотря на это, они являются полезным ресурсом для обеспечения отправной точки для выбора и проектирования.

Ниже приведен пример графика частотной характеристики зуммера магнитного преобразователя CMT-4023S-SMT-TR. В его техническом паспорте указана резонансная частота 4000 Гц, что четко обозначено пиком, показанным на диаграмме частотной характеристики.

Кривая частотной характеристики для зуммера магнитного преобразователя CMT-4023S-SMT-TR

Аудиоиндикаторы, использующие как магнитную, так и пьезоэлектрическую технологию, также являются опцией. Благодаря встроенной схеме возбуждения эти устройства с внутренним приводом не нуждаются в графике частотной характеристики, поскольку они работают на фиксированной номинальной частоте. Они предназначены для максимизации звукового давления в этом диапазоне частот и упрощения проблем с резонансом.

В качестве другого примера, в техническом описании динамика CSS-10246-108 указана резонансная частота 200 Гц ± 40 Гц, но его график частотной характеристики также показывает еще один резонансный всплеск примерно на 3,5 кГц, а также резонансную зону примерно от 200 Гц. Гц до 3,5 кГц.

Кривая частотной характеристики для динамика CSS-10246-108

В целом каждое аудиоустройство будет иметь частоты, на которых оно будет усиливать звук, и частоты, на которых оно будет уменьшать или ослаблять звук. Управляя зуммером или динамиком входным сигналом, частота которого равна или близка к резонансной частоте или резонансным зонам аудиоустройства, разработчики могут создать самый высокий уровень звукового давления при наименьшей входной мощности. Однако большинство приложений не работают только на одной частоте. В то время как на резонансной частоте достигается максимальный уровень звукового давления, динамик или зуммер можно использовать во всем частотном диапазоне в соответствии с его спецификацией при условии, что уровень звукового давления достаточен для предполагаемого применения.

Проблемы проектирования резонанса

После того, как разработчикам известна резонансная частота устройства, перед ними остаются две проблемы в отношении резонанса: во-первых, использование собственной резонансной частоты и резонансной зоны для максимизации SPL, а во-вторых, избежание нежелательного жужжания и дребезжание в установке из-за эффектов резонанса.

Хотя тщательная проверка и предварительная оценка важны на этапе предварительного проектирования, ничто не заменит создание прототипа и использование метода проб и ошибок для эмпирического создания оптимального корпуса для конкретного источника звука. Любая реализация должна также учитывать диапазон допусков компонентов и вариации производства.

Кроме того, особенно для динамиков, важно обеспечить достаточный кубический объем в корпусе, чтобы выходной звук не ослаблялся из-за нехватки места для распределения звуковой энергии. Даже скромное снижение уровня звукового давления на 3 дБ, вызванное покрытием корпуса или материалами, соответствует 50-процентному снижению выходной звуковой мощности. В нашем блоге «Как спроектировать корпус микродинамика» вы найдете полезную информацию по этому вопросу и советы по правильному проектированию корпуса.

В целом, важно учитывать полный спектр отклика аудиоустройства и использовать более широкий диапазон частот по обе стороны от резонансной частоты. Конечной целью разработки является оптимизация выходного уровня звукового давления и частоты для заданной мощности, подаваемой на зуммер или динамик. Для этого частота, на которой работает устройство, должна соответствовать резонансу, а также более широкому спектру отклика. Имейте в виду, что резонансная частота не является точным числом и не обязательно узкой, поэтому, скорее всего, желаемый отклик будет по обе стороны от числа, указанного в техническом описании.

Заключение

При проектировании аудиоустройства и его вывода в приложение инженеры должны учитывать резонансную частоту устройства, чтобы гарантировать, что конечный продукт максимизирует SPL, избегая при этом нежелательного жужжания и дребезжания.