Резонансная частота сабвуфера что это
Про резонансную частоту, часть 1
Попробуем разобраться с ключевыми параметрами динамиков. Начнем с одного из самых основных параметров — с резонансной частоты(fs). Писал очень долго и муторно, сотни раз переделывал и переписывал, и получилось многабукафф:) Поэтому разбил на две части. Во второй части будет о том, как фс ведет себя при различных оформлениях и резонанс применительно к высокочастотникам.
От вас жду дополнений и исправлений! Попробуем вместе создать действительно хорошие тексты, доступно разъясняющие основы и физику звука. Надеюсь, не только мне хочется от и до во всем разобраться:) Текст не самый легкий, поэтому включаем думалку, и вперед:) Поехали!
Итак, резонансная частота. Разумеется, этот параметр не самодостаточный и для построения сколь угодно качественной системы знания одного его будет мало.
Динамик, как и любая колебательная система, имеет свою резонансную частоту. Это не незыблемая величина, она может довольно сильно меняться в зависимости от разных факторов. Например, температура упала => подвесы задубели – резонанс возрос. Закинули динамик в ЗЯ – резонанс возрос. Накидали на колпак сортирки с ПВА – резонанс упал.
В документации к солидным динамикам всегда указывают эту величину, обозначается она Fs. Представляет собой некое значение частоты в герцах, при которой у динамика в свободном поле наблюдается резонанс. При замере динамик находится не в коробе (в идеале – на солидном удалении от любых отражающих поверхностей), он размят и замер делается при нормальной температуре. Легче всего этот резонанс определить по пику на графике зависимости сопротивления динамика от подаваемой на него частоты. Выглядит этот график примерно так:
Завал начинается как раз на частоте резонанса. А после резонанса играет относительно ровненько до тех пор, пока ему позволяет его конструкция.
Проверил это утверждение на практике. Взял три динамика и снял АЧХ (микрофон в паре см от диффа) и их Т/С параметры. Выглядят динамики так:
Разбираемся в параметрах Тиля Смолла. Автозвук и DIY
Содержание
Содержание
Параметры Тиля-Смолла позволяют понять, как будет звучать динамик в том или ином корпусе без покупки, прослушивания и сравнительных тестов. Особенно это пригодится любителям автозвука, ведь именно им приходится иметь дело с голыми динамиками, которые монтируются в двери и багажники. Кто-то с помощью этих параметров рассчитывает подходящий объем и тип пространства для громкоговорителя, кто-то любит подбирать динамики от разных производителей и проверяет их совместимость друг с другом. Эта статья простым языком объяснит, кто такие Тиль, Смолл, что за параметры они придумали и что теперь с ними делать.
С кого все началось
Слева Тиль, справа Смолл
Что дают эти параметры
Основные параметры Тиля-Смолла
Чтобы понять их суть, нужно вспомнить, что динамик состоит из двух частей:
Таким образом, подвижная часть динамика движется только вверх и вниз, подобно поршню. Это движение сжимает и расширяет воздух, создавая звуковые волны. Если налить в динамик жидкость, можно увидеть, как образуются эти волны:
Как раз работа такого поршня и описывается параметрами Тиля-Смолла. Фундаментальных параметров три.
1. Эквивалентный объем (Vas, м3)
У подвеса и центрирующей шайбы есть некоторая упругость, которая мешает всей системе двигаться свободно. Ее можно представить как пружину. Если взять такой объем воздуха, который по своей упругости равен этой пружине, то как раз и получится эквивалентный объем.
Чем эквивалентный объем меньше, тем подвижная система у динамика жестче.
Этот параметр относится скорее к желаемой характеристике корпуса, а не самого динамика. Однако это ни в коем случае не тот объем корпуса, в который нужно поместить динамик. Если такое провернуть, то чересчур вырастет добротность и резонансная частота. Подушка из воздуха поднимет резонанс и будет работать как пружина, мешая торможению динамика.
Эквивалентный объем рассчитывается путем умножения жесткости подвеса, диаметра диффузора (потому что эта поверхность взаимодействует с другой пружиной — воздухом), плотности окружающего воздуха и скорости звука в нем. Соответственно, чем жестче подвес, тем меньше будет тот объем воздуха, который будет влиять на динамик фактом своего существования. Аналогично с диффузором — чем больше мембрана, тем сильнее она сжимает воздух внутри корпуса колонки или саба, а следовательно и ответная сила противостоящего ему воздуха будет выше.
Именно Vas часто играет решающую роль при выборе динамика под определенный объем. Особенно это касается сабвуферов — большим диффузорам нужны большие объемы. Обычно советуют прицеливаться на саб с Vas в районе 30–50 л.
2. Резонансная частота (Fs, Гц)
Если флешбеки со школьных уроков физики еще не начались, то тут они точно появятся. Есть колеблющаяся система — например, качели. Если отвести их в сторону и отпустить, то они будут качаться с определенной собственной частотой. Это и будет резонансная частота. Если вдобавок толкать качели с ней в такт, это позволит раскачать их быстрее и сильнее, чем применив любую другую частоту.
Это имеет самое прямое отношение к динамику: подвижная система (прежде всего подвес) — это качели, а электричество — тот парень, который их толкает. Если подать на динамик сигнал на его резонансной частоте, то обе эти частоты сложатся и образуют резонанс. На графике импеданса, и даже графике АЧХ в этом месте будет пик.
Чем мягче подвес и больше масса, тем резонансная частота ниже.
Fs — один из важнейших параметров, поскольку ниже нее звуковое давление динамика заметно падает. Поэтому для сабвуферов нужна максимально низкая резонансная частота, так как после нее обычно идет серьезный спад АЧХ. Это значит, что чем резонансная частота ниже, тем глубже будет бас.
Важно также отметить, что резонансная частота измеряется у динамика без корпуса. При размещении громкоговорителя в корпусе на Fs влияет объем последнего. Если нужно, чтобы резонансная частота (и полная добротность, о которой ниже) остались прежними, тогда следует установить динамик в такой багажник, объем которого превышает Vas минимум втрое.
Резонансная частота поможет определить роль динамика в АС. К примеру, если Fs более 50 Гц, то сабвуфер с таким динамиком не построишь, ему лучше всего подойдет роль мидбаса. Если же Fs выше 100 Гц, то такой динамик лучше всего использовать для воспроизведения средних частот. Для саба же подходящим будет Fs в районе 21–35 Гц.
3. Полная добротность (Qts)
После того, как диффузор динамика воспроизвел звук, он возвращается в исходное положение, причем не мгновенно, а плавно затухая на резонансной частоте — подобно качелям, которые перестали раскачивать. То, как быстро диффузор вернется на место, и есть полная добротность.
Чем быстрее диффузор встанет в исходную позицию после излучения сигнала, тем добротность ниже.
Чем добротность ниже — тем лучше. Если диффузор будет долго возвращаться в исходное положение, из-за колебаний на резонансной частоте появятся посторонние шумы, гул и артефакты.
Полная добротность состоит из двух «неполных»:
Любопытно, что добротность — параметр безразмерный. К примеру, если он равен единице, это означает, что для остановки диффузора последний должен совершить ровно один цикл колебаний (т.е. пропал сигнал, мембрана идет вверх-вниз, затем останавливается).
Считается, что наилучшая добротность для акустической системы равняется примерно 0,5-0,7 для обычной музыки и 0,8-0,9 для тех, кто любит жанры с преобладанием резкого баса. Чем она меньше этих значений, тем выше по графику АЧХ ползет спад басовых частот, лишая их слушателя. При больших значениях Qts на графике АЧХ случается горб в районе резонанса, а остальные характеристики ухудшаются.
Также важно соотношение резонансной частоты к полной добротности. Если результат деления обоих значений равен 50, то динамик стоит использовать лишь в закрытом объеме. Если же он достигает 100, тогда в конструкцию можно добавить фазоинвертор.
Второстепенные параметры
Три приведенных выше параметра — фундаментальные, но не единственные. Иногда в паспортах на динамик или АС встречаются и другие характеристики, однако не все они имеют значение и применимость. Обычно встречаются следующие:
Где найти эти параметры
Фундаментальные параметры Тиля-Смолла позволяют смоделировать как минимум среднюю громкость и импеданс будущей акустической системы. Также они помогут рассчитать конструкцию и объем корпуса, в который будет заключен громкоговоритель.
Но чтобы воспользоваться этими параметрами, нужно их для начала узнать. Иногда это просто, как с JBL STAGE3 607C. Достаточно открыть руководство по установке и вуаля!
Но часто они спрятаны глубоко под маркетинговыми лозунгами. К примеру, чтобы узнать искомые характеристики АС Morel Tempo Ultra 572, нужно найти в дебрях официального сайта pdf с презентацией линейки динамиков и отмотать в самый низ. Наградой станет здоровенная таблица со всеми параметрами всех динамиков в линейке производителя:
Есть и другие способы. Например, в одном из онлайн-калькуляторов можно найти базу моделей популярных динамиков. К примеру, нужно выяснить характеристики Ural АК-74.С. При выборе нужной модели в приложении открывается ее профиль с основными характеристиками, включая параметры ТС. А, кликнув на расчет короба, можно увидеть графики импеданса и Spl:
Как измерить самостоятельно
Из-под завалов хлама в гараже были извлечены пара ноунейм динамиков. С виду неплохие, но кто их сделал и для каких задач — тайна, покрытая мраком. Измерив их параметры, можно понять, что это за звери и на что сгодятся. Сделать это несложно, но понадобится несколько девайсов:
Процедура несложная, но требует определенной подготовки, поэтому описание заняло бы самостоятельностью статью. Благо, на официальном сайте Room Eq Wizard есть такая статья на английском, а на ютубе — русскоязычные видео с подробным описанием процесса:
Параметры Тиля-Смолла очень полезно знать, работая с голыми динамиками. Они позволяют сконструировать объем для громкоговорителя, руководствуясь не только эстетическими предпочтениями, но также формулами и математикой. Научный подход позволит добиться максимально качественного звука в любых условиях.
Про резонансную частоту, часть 2
Часть первая тут. Будет логично сначала прочитать именно ее, или хотя бы просто освежить в памяти материал.
Влияние оформления на резонансную частоту.
1. ЗЯ. Закрытый ящик всегда поднимает резонанс динамика. Физический смысл закрытого ящика – к упругости подвеса добавляется упругость воздуха, заключенного в объеме ЗЯ. (ну и гасится обратное излучение). В итоге у нас все осталось неизменным кроме жесткости подвеса – она увеличилась. Оттого растет и частота. Маленький объем сильно добавляет в жесткости, потому что малый объем сложно сжать/растянуть. И наоборот.
Не знаю, нуждается ли это в пояснении, но на всякий случай приведу пример. Берем большой медицинский шприц (желательно не БУ), кубиков на 20 и затыкаем пальцем выход (иголку лучше снять). И пробуем вдавить поршень на один сантиметр когда поршень стоит в полутора сантиметрах от ВМТ (малый объем) и когда поршень в НМТ (большой объем). В первом случае вы почувствуете большое сопротивление сжимаемого воздуха, во втором это сопротивление можно даже не заметить. Надеюсь, аналогия наглядна.
Упрощая, можно сказать, что чем меньше объем – тем сильнее возрастет результирующая частота системы динамик-короб. Насколько именно поднимется частота – это зависит от соотношения объема ящика и эквивалентного объема дина, но сегодня туда лезть не будем. Поэтому, для ЗЯ подбираем дин с запасом по частоте, всегда помня, что частота заметно подскочит. Если вам нужен короб с результирующим резонансом в 50Гц и есть динамик с fs=48Гц – скорее всего, у вас ничего не получится:) По крайней мере в ЗЯ. (опять же, без учета добротности и эквивалентного объема такой выбор будет абсолютно случайным, но хочется просто показать зависимость)
Применительно к автомобилям, ЗЯ имеет очень интересную особенность – спад АЧХ динамика ниже частоты резонанса в этом оформлении равен 12Дб/октаву. А у очень маленьких помещений, таких как салон автомобиля, есть еще более замечательная особенность – передаточная функция салона. Которая поднимает низкие частоты начиная с определенной частоты с крутизной 12Дб/октаву! То есть, нам нужно попасть резонансом начало передаточной функции (обычно это +-50Гц), и мы получим идеально ровную АЧХ! В теории. Дин+ящик угасают с падением частоты, а салон поднимает звук с одной и той же скоростью! Получается примерно такая картина:
Это конечно теория, на практике все не так красиво… Но некоторые закономерности однозначно присутствуют:)
Если не попасть резонансом саба в начало передаточной функции, то получится следующая ситуация:
Это мой временный сабик в салоне девятки. Моя гипотеза такова: передаточная функция салона начинает работать от 45Гц, оттого имеем полочку 20-45Гц. Но резонанс системы динамик-короб равен 57Гц. Оттого имеем полочку вблизи резонанса сабвуфера (полочка 55-65Гц), потом спад до начала действия передаточной функции. Это мое предположение, чтобы сказать более точно, нужно снять АЧХ еще нескольких сабиков. Со временем все будет:)
Получается, что в ЗЯ дин все-таки может работать ниже своего резонанса:) Но, тут особых проблем не возникает, потому что в этом оформлении динамик хорошо задемпфирован закрытым объемом воздуха в ящике. И выручает передаточная функция.
2. Фришное оформление (бесконечный экран или открытый ящик). На практике – дин в задней полке. С натяжкой — двери. В этом оформлении частота динамика принципиально меняться не будет, и останется почти такой же, как и у самого динамика. Если мы говорим про саб в хорошей и качественной полке – он будет вести себя как ЗЯ. Спад тот же, и если мы попадем в передаточную функцию – получим примерно идеальную результирующую АЧХ в салоне:) Но дин должен изначально иметь подходящую добротность (должна быть 0,7 +- чуть-чуть). В комментариях к предыдущему посту Dan1982 уточнил, что все-таки фри и экран – это разные вещи. Экран не влияет на параметры дина вообще никак, фри – это большой ЗЯ, в несколько раз больший эквивалентного объема, который все-таки оказывает некоторое влияние на параметры динамика.
И да, всячески рекомендую его труды в деле автозвукового просвещения. Здесь мы ковыряем теорию, у него в бж много практики, и даже книжка есть! Обязательна к прочтению, я считаю. Дочитываем статью, нажимаем кнопочки, пишем комментарий к статье – и бегом к Дэну просвещаться дальше))) Хотя тут 99% аудитории с ним и так знакомы.
НО! Замерил динамик 4 ГДШ в свободном поле и установленный в щит – разница ощутима!
Возможно, изменилась жесткость корзины (она весьма хлипенькая), оттого поплыли параметры. А возможно, это не случайность, и любое оформление все-таки вносит свои коррективы. Поэкспериментирую с этим, хотя сейчас меня это оформление слабо интересует.
3. ФИ. Система фазоинверторный короб+динамик имеет два резонанса: один от короба, второй от динамика. Первый резонанс определяется ящиком и не зависит от динамика. Второй резонанс – это резонанс динамика под влиянием ящика ящика. Примерно так это выглядит:
Синяя кривая – импеданс в ящике, зеленая – динамик без короба. Это микролаб соло3 – относительно неплохие колоночки. По крайней мере не совсем уж голимый ширпотреб)
Всем известен способ замерять настройку короба: накидать всяких штучек на диффузор и на какой частоте они перестанут прыгать – это и есть настройка короба. На этих колонках дифузор замирает на 70Гц. Смотрим на график импеданса: 70Гц – это ровно между двумя пиками.
По АЧХ колоночка вполне уверенно доигрывает до 50Гц, но спад начинается с 70.
Как видим, мы недалеко ушли от резонанса динамика: в свободном поле он равен 70Гц, и спад АЧХ фазоинвертора тоже начинается с 70. Но, если бы мы вставляли этот дин в ЗЯ – он бы так низко не сыграл) (хотя с такой добротностью его нельзя в ЗЯ. И в ФИ тоже.).
В общем, ФИ рекомендуют настраивать на резонанс динамика.
Я как-то недолюбливаю ФИ, звук у них очень специфический. Точнее, однообразный он. Хотя, действительно качественных систем я не слышал. В любом случае, эту тему буду копать глубже.
4. ЧВ. Четвертьволновой резонатор или трансмиссионная линия умеет заставлять динамик работать намного ниже своей частоты. Это происходит из-за прикрепления массы воздуха в туннеле к дифузору и виртуальному утяжелению подвижки. То есть, если смотреть по параметрам динамика, подвижка при установке в ЧВ как бы становятся тяжелее на массу воздуха в туннеле (эта фраза взята из достоверного источника: книги Гапоненко С.В. «Акустика своими руками», но пока экспериментом подтвердить это не удалось. В моем случае динамик потяжелел менее чем на треть массы воздуха в туннеле).
В ЧВ резонанс и нижняя рабочая частота может опуститься в полтора-два раза! Чем мы за это расплачиваемся – динамику приходится очень тяжко в механическом плане. Дело в том, что динамики конструируются не просто так, не от балды (я предпочитаю в это верить), а с определенной взаимосвязью ключевых параметров. Например, у дина резонанс 70Гц и для того, чтобы звучать на 70герцах на максимальной расчетной громкости, динамику нужен ход 5мм. На более высоких частотах ход уменьшается при равной громкости, поэтому конструктивно имеет смысл сделать Хмах равным 5мм. Ну, может с небольшим запасом). А ведь больше и не нужно с таким резонансом! Но, когда мы вставляем дин в ЧВ, его характеристики сильно «перекашиваются». Масса подвижки растет, резонанс падает, басить начинает лучше… но Хмах то все тот же!
Получается, что конструктив динамика остался прежним, а его резонансная частота сильно упала. Это все равно, что груженую под завязку арбузами 24Волгу (мне их особенно жалко), чиркающей задним бампером по асфальту от перегруза, отправить на раллийную трассу. Как поведет себя подвеска? Примерно так же, как среднечастотный динамик, засунутый в ЧВ с настройкой 30Гц.
Такой динамик уже не будет сбалансированным: он очень легко может исчерпать линейный ход, когда электрическая мощность не перевалила за половину. Иными словами, в дин можно вливать и вливать, но он уже стучит катухой. Причем, этот стук еще нужно услышать: тот же ФИ при подобных режимах звучит жутко и страшно. ЧВ с дином на пределе прекрасно басит, заглушая посторонние звуки:)
Исходя из вышесказанного, логично было бы настраивать ЧВ на частоту, ВЫШЕ резонанса динамика. В ЧВ его собственный резонанс упадет еще сильнее, и к тому же у этого оформления очень низкий спад АЧХ: 6Дб/окт! То есть, настройка может быть относительно высокой, а забираться вниз система будет очень далеко.
Но часто все бывает в другой последовательности: берется динамик, который басит недостаточно басовито, и засовывается в ЧВ. И наступает яркое, но скоротечное счастье.
Теперь практика. Стоит у меня ЧВ длиной канала 150см (настройка 100Гц, если правильно помню). Снял графики сопротивления дина в ЧВ и дина в свободном пространстве:
Что мы видим: резонанс нежного широкополосника с легчайшей подвижкой уже В КОРОБЕ составляет сабвуферные 34Гц! Вливать в него бас категорически нельзя, потому что он БУДЕТ это воспроизводить)))) А я хочу еще немного поиграться с этими динамиками:)
Тему трансмиссионных линий или четвертьволновиков я обязательно буду серьезно и долго раскапывать. Потому что есть некоторые сомнения в достоверности инфы, гуляющей по сообществам и пабликам. И потому что самые большие впечатления от звука я получил именно от ЧВ. Первый раз на этих же динамиках с настройкой 60Гц и фильтром на усилителе от 100 и выше. Невероятные средние частоты, любая акустическая вещь – сразу до мурах)) в ЗЯ и в экране такого эффекта почему-то не было. И второй раз – мой первый саб на двух 13см мидбасах. Он играл от 40 до 100Гц, формально это не совсем саб, высоковато играл. И локализация мидбаса была явно в багажнике. Но фактура и ясность звука была невероятной, потрясающие впечатления! В общем, будет много экспериментов. Если позволит время:)
5. Рупор. Вот тут ничего сказать не могу) Пока ищу материал по расчетам, точнее уже накачено гора статей и книжек, нужно начинать изучать и пилить… Но если вы знаете хорошие источники информации по расчету рупоров и поведению динов в них – буду очень признателен! В личку или в комменты.
Судя по отзывам – у рупора все очень хорошо и минус только один – габариты. Руки чешутся собрать пару пробных вариантов, но пока упираюсь в то, что написал абзацем выше.
Закончили низко-среднечастотную тему, теперь о высоком.
Высокочастотники и резонанс
С пищалками особая история — им вообще нельзя работать на фс! Это ОЧЕНЬ сильно скажется на их долговечности. И еще сильнее на качестве звука. Высокочастотники не должны даже подбираться к своей Фс!
Из курса физики мы знаем, что резонанс — это резкое увеличение амплитуды. А выводить пищалку на ход — это очень сомнительное развлечение))) Ну не рассчитаны они на работу на больших амплитудах – у них и подвесики слабенькие, и линейных ход мизерный (превышение линейного хода = искажения, даже если дин не бьется катушкой. Катушечкой:).)
Динамики проектируются особым образом, дин должен быть сбалансированным. В мидах и сабах электрическая мощность подбирается таким образом, чтобы на частотах близких к резонансу, механические подвесы (внешняя губа и центрирующая шайба) стабильно могли сдерживать диффузор и катушку. Тогда на басах электрическая сила мотора + резонанс не порвет подвес/центрирующую шайбу/дифузор, и динамик будет жить долго и счастливо. Если бы пищалки строили по этой аналогии — у них подвесы были бы мощнее и вся подвижка тяжелее, оттого забираться вверх было бы проблематично. Обычно поступают по-другому: ставят заведомо слабые подвесы, которые не утяжеляют систему, не сковывают ее, и дают возможность легко и непринужденно совершать многие тысячи колебаний в секунду. А что будет, если эту легкую и воздушную систему вогнать в резонанс и вывести на ход?
Идеология пищалки: очень мощная электрическая составляющая и слабенький подвес. Именно это сочетание позволит влить в динамик много мощи именно на высоких частотах (электрическая составляющая позволяет), при этом механика не страдает, т.к. хода практически не требуется. Не успеет катушка пищалки выйти на ход, когда он несколько тысяч раз в секунду меняет свое направление движения.
К тому же, есть еще фазовая характеристика, которая выглядит вот так:
Она более или менее устаканивается на частотах 2Фс+ и выше. Соответственно, будет хорошо, если пищалка будет реально играть от 2Фс и выше. Там и ФЧХ ровненькая (легче и качественней получится согласовать с серединками), и драйвер работает чисто.
В этой связи хочется отдельно отметить рупорные пищалкки, которые в системе режутся ТОЛЬКО одним конденсатором. Часто они комплектуются кондерами с завода, и многие считают, что этого достаточно.
Один конденсатор – это фильтр первого порядка с крутизной спада 6дб/октаву (это довольно слабый спад). И чтобы хоть как-то соответствовать тому, что я писал абзацем выше – частоту среза нужно выбирать раза в 3-4 выше fs. А fs у них обычно тыщи 3Гц. То есть, резать нужно на 12 килогерцах минимум. У вас есть знакомые, которые так делали?:) У меня нет. Оттого и часто слышна дикая срань вместо музыки из тачек чотких пацанчиков, установивших рупора и буфаки:) Потому что они режут пищалку родным кондером, который скорее является не музыкальным фильтром, а обычным предохранителем, чтобы в драйвер не летело слишком много лишнего. Который сбережет пищалку, если ее «случайно» включат в полную полосу.
Осознав вышесказанное, я поднял частоту раздела на своих высокочастотниках. И получил весьма интересные результаты:)
Давно замечал, что с 88 пионером особенно классно звучат пищалки. Вставляю другую магнитолу, которая тоже должна звучать годно – не то. Нет той чистоты! Ну, думаю, 88 пионер – это уровень. Почти легенда же! И только в процессе написания этого текста, дотумкал, что в пионере пищалки резались и с магниотолы, и кондером на проводе)) Оттого не забирались вниз и не портили звук. А при подключении обычной магнитолы без развитого кроссовера – обрезка шла только конденсатором.
Если у вас пищалки порезаны кондером – попробуйте уменьшить его номинал, тем самым подняв частоту раздела. Возможно, вы, как и я, будете более уважительно смотреть на обитателей боковых стоек. Возможно, вместо высокочастотного цоканья и шипения услышите звук металла хайхета и тарелок. Особенно приятно слушать на высокой громкости. Громкий звук неперегруженных пищалок – это особое удовольствие!
Хорошего звука вам;)
И конечно же с НОВЫМ ГОДОМ!