Как измерить напряжение на динамике. Измерение параметров динамиков в домашних условиях и один способ настройки фазоинверторов

(В помощь начинающим басовикам )

Глава А – Измерения

Сразу оговорюсь, что удобнейший способ измерения параметров НЧ динамиков изложен в методе . Владельцам программы предлагаю воспользоваться этим методом (сам я его не проверял, но думаю, там глюков нет). Для тех же, у кого этой программы нет или не хватает измерительного оборудования, я опишу способ подчерпнутый мной из журналов "РАДИО" прошлых лет. Я этот способ использовал и при определенной степени аккуратности и усидчивости с его помощью можно получить довольно точные (уж точнее, чем в справочнике или в инструкции пользователя) параметры.

Итак начнем:

1) Соберем схему.

Где на схеме испытуемый динамик, я думаю, ясно. Остальные элементы схемы требуют развернутого пояснения.

Генератор – либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20 В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию.

1000 Ом – резистор 1000 Ом, стабилизирующий ток через динамик. Номинал резистора можно брать меньше, но это будет снижать точность вычисления Qts. (Правда при использовании резистора всего 200 Ом погрешность измерения вряд ли превысит 10%, но, как говориться, береженного …).

а, в, с – точки для подсоединения вольтметра.

Сам вольтметр на рисунке не указан, но он должен быть: - во-первых, переменного тока; - во-вторых, уметь измерять напряжения порядка 100 мВ. При отсутствии у вольтметра такого предела измерений, его можно подключить через усилитель. А так как современные усилители обычно "стерео" и более, особых проблем с этим нет.

Схема собрана.

2) Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать).

3) Подключаем вольтметр к точкам а и с, и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.

4) Подключаем вольтметр к точкам в и с, и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны, см. рисунок ниже по тексту. Это и есть Fs. Записываем Fs и Us-показания вольтметра.

5) Изменяя частоту вверх относительно Fs, находим частоты, на которых показания вольтметра постоянны и значительно меньше Us (при дальнейшем повышении частоты напряжение опять начнет увеличиваться, пропорционально увеличению импеданса динамика). Запишем это значение, Um.

График импеданса динамика в свободном пространстве и в закрытом ящике выглядит приблизительно так.

6) Находим по графику (если мы его строили) или измеряем частоты среза F1 и F2 по уровню U12=(Us*Um)^0.5;

7) Вычисляем акустическую добротность Qa=(Us/Um)^0.5*Fs/(F2-F1), и

8) Электрическую добротность Qe=Qa*Um/(Us-Um);

9) И, на конец, полную добротность Qts=Qa*Qe/(Qa+Qe).

Чтобы узнать Vas нам потребуется ящик (хороший герметичный ящик, ни в коем случае не картонный, а с толстыми стенками) с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика, V, лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать.

10) Устанавливаем динамик в ящик и герметизируем все щели;

11) Проводим все измерения и вычисления по пунктам 1)-6) и получаем значения Fs"(на самом деле это Fc) и Qts" (Qtc);

12) Вычисляем Vas=((Fs"/Fs)^2-1)*V;

13) Вычисляем Qtc=Qts*(1+Vas/V)^0.5, если измеренная Qts"=Qtc, ну или почти равна, значит - все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.

Глава B – Настройка ФИ

Предлагаемая методика настройки тоже списана из Литературы, но достаточно проста, что бы стать достоянием любопытных масс. Единственная оговорка (ее я сам придумал) в том, что эта методика позволяет легко настраивать ФИ, изготовленные на базе динамиков с добротностью Qts=0.3…0.5. Для прочих ФИ придется дополнительно применять природную смекалку. Итак.

В основе методики лежит зависимость, существующая между параметрами ФИ и ЗЯ (закрытого ящика). Если в ФИ с гладкой АЧХ (по spl) закрыть отверстие туннеля, то полная добротность системы, Qtc, окажется равной 0.6, а резонансная частота, Fc, будет связана с частотой настройки ФИ зависимостью: Fb=0.61…0.65*Fc. Если допустить погрешность определения частоты настройки ФИ в 5%, то отношение Fb/Fc для реальных конструкций можно принять равным 0.63.

Настройка:

14) Закрываем герметично отверстие туннеля, и собираем схему для измерения Fc (см. главу А).

15) Подбираем количество звукопоглащающего материала и добиваемся минимального значения Fc;

16) Закрепляем материал внутри ящика и измеряем Fc;

17) Вычисляем Fb=0.63*Fc;

18) Вычисляем длину туннеля: Lv=31*10^3*S/(Fb^2*V)-1,7*(S/ПИ)^0.5, где S – площадь отверстия порта ФИ в кв.см., V – объем ящика в литрах;

19) Делаем туннель, вставляем его внутрь ящика (именно внутрь, если в готовой конструкции он предполагается внутри) и измеряем Fb".

Должно получится, что-то вроде:

20) Полученное значение Fb" подставляем в формулу 18) и вычисляем уточненное значение V";

21) Подставляем V" в ф-лу 18) и вычисляем Lv" для расчетного значения Fb (кто забыл, это произошло в п.17);

22) Укорачиваем (удлинить его невозможно, поэтому меры лучше принять заранее) туннель и снова измеряем;

23) По методике определения Qtc (глава А) определяем добротность системы и, если она меньше 1, успокаиваемся. Если она больше, то вероятно, что-то где-то было сделано не так, но переделывать уже поздно. Послушаем, если действительно бубнит (что совсем необязательно), будем принимать меры.

Возможные меры:

24) Задемпфировать частично-акустически-прозрачным материалом туннель ФИ. Другими словами – закрыть туннель синтепоном, ватой, карпетом и т.д;

25) Задемпфировать сам динамик, наклеив на окна диффузородержателя перечисленные выше материалы (только не все сразу).

Эти меры снизят общую добротность системы, Qtc.

Литература:
Салтыков О.,Расчет характеристик громкоговорителя, Радио 1981
Жбанов В., Настройка фазоинвертора, Радио 8/1986
Алдошина И. Там, где живут басы, АМ 2/1999
Фрунзе, О повышении качества звучания АС, Радио 9/1992

Вот решил сам написать статью, весьма важную для акустиков. В этой статье хочу описать способы измерения самых важных параметров динамических головок - параметры Тиля-Смолла.

Помните! Приведенная ниже методика действенна только для измерения параметров Тиля-Смолла динамиков с резонансными частотами ниже 100Гц (т.е. низкочастотных динамиков), на более высоких частотах погрешность возрастает.

Самыми основными параметрами Тиля-Смолла , по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (проще говоря - ящик) являются:

Резонансная частота динамика F s (Герц)
Эквивалентный объем V as (литров или кубических футов)
Полная добротность Q ts
Сопротивление постоянному току R e (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

Механическую добротность Q ms
Электрическую добротность Q es
Площадь диффузора S d (м 2) или его диаметр Dia (см)
Чувствительность SPL (dB)
Индуктивность L e (Генри)
Импеданс Z (Ом)
Пиковую мощность P e (Ватт)
Массу подвижной системы M ms (г)
Относительную жесткость (механическая гибкость) C ms (метров/ньютон)
Механическое сопротивление R ms (кг/сек)
Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL (Тесла*м)

Большинство этих параметров может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень. Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу. Автор этого "труда" не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников - как иностранных, так и российских.

Измерение параметров Тиля-Смолла R e , F s , F c , Q es , Q ms , Q ts , Q tc , V as , C ms , S d , M ms .

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

Вольтметр
Генератор сигналов звуковой частоты. Подойдут программы-генераторы, которые генерируют необходимые частоты. Типа Marchand Function Generator или NCH tone generator . Так как дома не всегда можно найти частотомер, можно вполне доверится этим программам и Вашей звуковой карте, установленной на компьютере.
Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Схема для измерений

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например, для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0.004 вольта. Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Нахождение R e

Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re можно замерить и непосредственно омметром.

Нахождение Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Нахождение Q ms , Q es и Q ts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров R o , R x и измерение неизвестных нам ранее частот F 1 и F 2 . Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две - одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно. Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение F s /Q ts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - V as , S d , C ms и L.

Нахождение S d

Это так называемая эффективная излучающая поверхность диффузора. Для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна:

Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание, что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.

Нахождение индуктивности катушки динамика L

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц. Поскольку реактивная составляющая (X L) отстоит от активной R e на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и R e (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:

Найдя реактивное сопротивление X L на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Измерения V as

Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: метод "добавочной массы" и метод "добавочного объема". Первый из них требует из материалов несколько грузиков известного веса. Можно использовать набор грузиков от аптечных весов или воспользоваться старыми медными монетками 1,2,3 и 5 копеек, поскольку вес такой монетки в граммах соответствует номиналу. Второй метод требует наличия герметичного ящика заранее известного объема с соответствующим отверстием под динамик.{mospagebreak}

Нахождение V as методом добавочной массы

Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками и вновь измерить его резонансную частоту, записав ее как F" s . Она должна быть ниже, чем F s . Лучше если новая резонансная частота будет меньше на 30%-50%. Масса грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12" головки нужен груз массой около 120 граммов.

где М - масса добавленных грузиков в килограммах.

Исходя из полученных результатов V as (м 3) рассчитывается по формуле:

Нахождение V as методом добавочного объема

Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. Объем ящика обозначен как V b .

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Q mc , Q ec и Q tc . Методика измерения полностью аналогична описанной выше. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса. А вот как оно рассчитывается - это уже совсем другая история.

Определение механической гибкости C ms

Где S d - эффективная площадь диффузора с номинальным диаметром D. Как вычислять написано ранее.

Определение массы подвижной системы Mms

Она легко рассчитывается по формуле:

Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL

Самое главное не забывайте, что для более точных значений измерения параметров Тиля-Смолла необходимо проводить эксперимент несколько раз, а затем путем усреднения получать более точные значения.

В современном мире динамики получили обширное распространение, ведь без этих устройств невозможно производить телевизоры, мобильные телефоны, планшеты, колонки, наушники и другую аудио аппаратуру. И чаще всего их работа остается незаметна для людей до тех пор, пока динамик не выйдет из строя.

Что такое динамик

Динамик (часто называются громкоговорителями) представляет собой электрическое устройство, которое преобразует электрический сигнал в звук. Это преобразование происходит за счет колебательного движения электрической катушки в постоянном магнитном поле (это поле обеспечивает постоянный магнит или, в более редких случаях, электромагнит). Эта катушка движет диффузор, который, в свою очередь, создает колебания воздуха, а это позволяет слышать воспроизводимые звуки.

Несмотря на простоту конструкции, неисправности, возникающие во время эксплуатации динамиков, все же могут периодически возникать. Если динамик начал воспроизводить звук с помехами, шипением или треском или вообще перестал работать, в первую очередь следует локализовать проблемное место.

Для начала необходимо провести визуальный осмотр устройства, а именно, проверить на наличие повреждений:

корпуса;
шнура электропитания;
шнура сигнала;
гофры;
диффузора.

При наличии повреждений, данную деталь стоит отремонтировать или заменить (если повреждены гофра или диффузор, динамик придётся менять). Но если внешних дефектов не обнаружено, а звук воспроизводится с помехами или вообще отсутствует, то проблема могла возникнуть в контактах или катушке динамика и в данном случае поможет проверка динамика мультиметром.

Проверка динамика мультиметром

Для проверки контактов необходимо провести , установив мультиметр в режим определения данной характеристики. Щупы необходимо подключить к контактам соблюдая полярность динамика и при неподвижном диффузоре подвигать ними. Если на дисплее мультиметра показания постоянно меняются, то это будет означать что проводка повреждена и ее необходимо заменить.

В случае если перевернуть динамик и покрутить его, слышны посторонние звуки (например, постукивание), то, скорее всего от гильзы, в которой расположена катушка, отпало несколько витков или вся обмотка. Это можно исправить, заново намотав обмотку.

Также важно внимательно осмотреть звуковую катушку, которая расположена внутри динамика и выглядит как намотанный спиралью провод. Эта катушка должна иметь ровную, аккуратную обмотку, без переплетений и случайных нахлестов, изломов, разрывов и других механических повреждений. Если механические дефекты все же обнаружены, катушку следует заменить. Неправильную обмотку (неровную или с нахлестом) можно самостоятельно, аккуратно перемотать. Для проверки правильности перемотки катушки достаточно несколько раз прослушать две-три хорошо знакомых песен. Во время прослушивания нужно акцентировать внимание на громкости (как минимальной, так и максимальной), качестве звука (отсутствие посторонних шумов) и переходах звука.

Проворачивания диффузора также помогут обнаружить дефекты. Если при выполнении этого действия слышны скрежет, треск или шорох, то, скорее всего, возле магнитного зазора находится посторонние предметы, например, металлолом случайно попавший при сборке и другой мусор. Исправить то можно просто чисткой динамика. Если диффузор проворачивается с трудом или вообще не крутится, то проблема заключается в сместившейся катушке или гильзе, а также смещение керна что в свою очередь приводит к заклиниванию гильзы. Данную проблему можно исправить, разобрав динамик и установив эти детали в правильное положение.

Электронную начинку динамиков можно проверить тестером, омметром или любым другим устройством для измерения электрического сопротивления. Для этого необходимо мультиметр включить в режим замера сопротивления и померить данную характеристику динамика. Для полифонических динамиков сопротивление в среднем составляет 8 Ом, а для слуховых – порядка 30 Ом. В случае, если измерительное устройство не показывает каких либо данных, значит что повреждена проводка динамика, а если она целая то проблема заключается в обрыве катушки. Поврежденную проводки или катушку с обрывом нужно заменить на новые.

Для проверки целостности непосредственно катушки, при помощи мультиметра необходимо прозвонить ее. В этом режиме щупы тестера присоединяются к контактам динамика. Если на дисплее мультиметра показано значение больше 0, то звуковая катушка целая, а если это значение равно 1 то в катушке произошел обрыв и в этом случае ее необходимо заменить.

После проверки электроники стоит проверить качество сборки диффузора и гофра. Для этого динамиком необходимо воспроизвести инфранизкие частоты. Это позволит обнаружить некачественную склейку гофра и диффузора.

В последнюю очередь стоит проверить качество работы динамика при помощи генератора частот. Данная проверка динамиков должна выполняться в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Отсутствие хрипов и искажений будет означать, что динамик работает исправно и качественно.

Данные методы помогут решить задачу такую как проверка динамика мультиметром.

Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить сабвуфер являются:

Резонансная частота динамика Fs (Герц)
Эквивалентный объем Vas (литров или кубических футов)
Полная добротность Qts
Сопротивление постоянному току Re (Ом)

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

Механическую добротность Qms
Электрическую добротность Qes
Площадь диффузора Sd (м2) или его диаметр Dia (см)
Чувствительность SPL (dB)
Индуктивность Le (Генри)
Импеданс Z (Ом)
Пиковую мощность Pe (Ватт)
Массу подвижной системы Mms (г)
Относительную жесткость Cms (метров/ньютон)
Механическое сопротивление Rms (кг/сек)
Двигательную мощность BL

Измерение Re, Fs, Fc, Qes, Qms, Qts, Qtc, Vas, Cms, Sd.

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

Вольтметр
Генератор сигналов звуковой частоты
Частотомер
Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Конечно, в этом списке возможны изменения. Например, большинство генераторов имеют собственную шкалу частоты и частотомер не является в таком случае необходимостью. Вместо генератора можно также использовать звуковую плату компьютера и соответствующее программное обеспечение, способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности.

Схема для измерений

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта. Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в омах. Например для калибровочного сопротивления 4 ома напряжение должно быть 0.004 вольта. Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Нахождение Re

Нахождение Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра. Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра. Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2. Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две - одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно.

Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 - исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры - к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров - Vas, Sd, Cms и L.

Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание что единица измерения этой площади - квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц. Поскольку реактивная составляющая (XL) отстоит от активной Re на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и Re (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:

Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Измерения Vas

Нахождение Vas методом добавочной массы

Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками и вновь измерить его резонансную частоту, записав ее как F"s. Она должна быть ниже, чем Fs. Лучше если новая резонансная частота будет меньше на 30%-50%. Масса грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12" головки нужен груз массой около 120 граммов.

Сложность измерений электрических и акустических параметров динамиков часто подталкивает на отказ от данной процедуры и в последствии процесс создания АС происходит с ориентиром на простые формулы расчета, учитывающие только электрические параметры динамиков, да и то идеальных. Думаю, нет смысла лишний раз углубляться в рассказы о том, что результат в таком случае даже близко не оправдывает ожидания. Лукавить не буду, процесс измерений сложен, требует некоторого специального оборудования и, что очень важно, навыков работы с программами для проведения измерений. Мало просто измерить, нужно сделать это максимально объективно, и единственным ограничением при измерениях должна оставаться погрешность измерительного оборудования.

Далее я постараюсь подробно рассказать о методике проведения измерений в пакете Arta Software. Эту программу я полюбил за удобство и легкость в работе, возможность всестороннего анализа результатов измерений. Последняя версия программы доступна на сайте разработчиков . На данный момент это версия 1.6.1. Там же можно загрузить оригинальные руководства по работе с компонентами пакета, правда, на английском языке. Эти руководства входят в справочную систему программы. Вызвать ее можно через меню Help – User Manual .

Для проведения измерений понадобится некоторое оборудование. Ниже перечислено то, что используется у меня:

Ноутбук Dell Inspiron 1720 с операционной системой Windows XP Professional x86 и установленным программным пакетом Arta Software.
Звуковая карта E-MU 0404 USB.
Усилитель Denon PMA-500AE. Он подходит, поскольку имеет функцию обхода коррекции тембра, тонкомпенсации и баланса – Source Direct.
Вольтметр В7-38.
Магазин сопротивлений Р33.
Микрофон измерительный Nady CM 100.
Стойка для микрофона. В ее роли выступает стойка от фотоаппарата, обладающая функциями наклона, поворота и регулировки высоты.
“Референсный” резистор (Rref), необходимый при измерениях импеданса. Я использую ПЭВ-10 номиналом 10 Ом. Измеренное сопротивление составляет 9.85 Ом.
Два кабеля с делителями, защищающими вход звуковой карты от опасных для нее величин напряжения. Делители распаяны внутри TRS-джека.
Микрофонный кабель XLR и несколько кабелей для соединения входов/выходов звуковой карты и ее соединения с усилителем.

Для измерения импеданса требуется подключить оборудование по схеме Figure 12.

Figure 12

Измерение импеданса производится за счет падения напряжения на резисторе Rref. Разработчики Arta Software рекомендуют использовать величину Rref 27 Ом. Я использую меньший номинал – 10 Ом (измеренное сопротивление составляет 9.85 Ом), что позволяет при измерении устанавливать на выходе усилителя меньшую амплитуду напряжения. Реальное сопротивление резистора Rref должно быть измерено с минимальной погрешностью. От этого зависит погрешность измерения импеданса и, как следствие, погрешность расчета параметров Тиля-Смолла.

В Arta Software возможно измерять импеданс как низко- и среднечастотных динамиков, так и высокочастотных. Для последних используется отдельная методика – измерение на шаговом синусоидальном сигнале в заданном диапазоне частот. Измерять на периодическом шуме импеданс высокочастотных динамиков нельзя, возможно их повреждение.

Итак, запускаем Limp. Для этого в Windows меню “Пуск” необходимо выбрать Все программы – Arta Software – Limp . Окно программы показано ниже (Figure 13).

Figure 13

Здесь я также, как и в Arta, изменяю цветовую гамму на более приятную для глаз. Смена цвета рабочей области производится с помощью команды меню Edit – B/W background color , остальные цвета изменяются через меню Edit – Colors and grid style . Дополнительно отключаю выделение линий через меню Edit – Use thick pen .

Настройка программы начинается с меню Setup – Audio devices (Figure 14). Здесь, в полях Wave Input Device и Wave Output Device , необходимо указать используемую звуковую карту.

Figure 14

Следующее меню – Setup – Measurement (Figure 15).

Figure 15

В поле Reference Channel указываем канал, служащий опорным. Если соединение схемы измерений произведено в соответствии с изображением Figure 12, то опорный канал – правый (Right). В поле Reference Resistor указываем измеренное значение резистора Rref. В полях High cut-off и Low cut-off указывается отображаемый на экране частотный диапазон импеданса. Не сам частотный диапазон, отображение которого изменяется через меню Setup – Graph , но именно частотный диапазон кривой импеданса. Сказанное справедливо для измерений на периодическом шуме. Для измерений на шаговом синусоидальном сигнале эти поля отвечают за диапазон измерений. В поле Frequency increment устанавливается шаг для измерений на шаговом синусоидальном сигнале. Рекомендую установить 1/48 октавы, получив тем самым меньший шаг и более точное измерение импеданса. Поля Min. integration time (ms) , Transient time (ms) и Intra burst pause (ms) определяют соответственно время интегрирования, длительность шага синусоидального сигнала и паузу между шагами. Если компьютер, с помощью которого проводятся измерения, не обеспечивает должного быстродействия, увеличьте значения в этих полях вдвое. В поле FFT size устанавливается размер блока FFT. Установка бОльшего значения улучшает разрешение по частоте, но увеличивает время измерений. Остальные поля настраивают усреднение результатов измерений. Эти поля могут быть полезны при измерениях импеданса с добавочной массой, если последняя не может быть закреплена на диффузоре динамика. Небольшие колебания добавочной массы делают отображаемую на экране ИЧХ шероховатой. Усреднение немного помогает от этого избавиться. Работает усреднение только при измерениях на периодическом шуме.

Дальше я описываю методику измерения импеданса, подходящую для низко- и среднечастотных динамиков. Использовать эту методику для измерения высокочастотных динамиков нельзя. Для них методика измерений будет описана чуть ниже.

Теперь необходимо установить амплитуду тока через звуковую катушку измеряемого динамика. Учитывая нелинейность параметров динамиков при различном токе через звуковую катушку, желательно использовать для измерений ток не менее 40-50 mA. Для установки амплитуды тока, к клеммам для измерения подключается резистор номиналом, близким к номинальному сопротивлению динамика. У меня в качестве подопытного выступает широкополосный динамик 4А28. Его номинальное сопротивление – 12 Ом, столько я и выставляю на магазине сопротивлений. Параллельно резистору для теста подключается вольтметр. Ток через резистор рассчитывается по закону Ома.

Подключили, переходим в меню – Setup – Generator (Figure 16).

Figure 16

В поле Type устанавливается тип сигнала для измерений – периодический розовый шум (Pink PN) или синус (Sine). В поле Output level можно изменить уровень тестового сигнала, что удобно, например, при оценке линейности динамиков. В поле Sine freq. (Hz) устанавливается частота генерируемого синусоидального сигнала. В поле Pink cut-off (Hz) – частота среза розового шума. Не рекомендую использовать слишком малое значение (например, 20 Hz), поскольку при измерениях с добавочной массой, из-за роста амплитуды на низких частотах, грузики на диффузоре могут вызывать искажения ИЧХ.

Сначала выбираем в поле Type значение Sine. В поле Sine freq. (Hz) устанавливаем частоту 315 Hz. Если в наличии нет вольтметра, работающего в широком диапазоне частот, используйте меньшее значение, например, 100 или 50 Hz. В поле Output level устанавливаем значение 0 dB. Нажимаем кнопку Test . Устанавливаем через резистор требуемый ток. Я установил на выходе усилителя напряжение 0.6063 v, что соответствует току около 50 mA через нагрузку сопротивлением 12 Ом. Останавливаем генерацию повторным нажатием кнопки Test . Отключаем резистор от клемм для теста и вновь нажимаем кнопку Test . В окне Generator Setup отображаются уровни входных сигналов левого и правого каналов. С помощью регулировки чувствительности устанавливаем уровень в диапазоне -20…-10 dB. Следует установить его идентичным для обоих каналов. После установки останавливаем генерацию нажатием кнопки Test. В поле Type выбираем Pink PN, тем самым установив для теста периодический розовый шум. Нажимаем ОК .

В меню Setup – Graph (Figure 17) можно изменить отображаемый на экране частотный диапазон и диапазон значений сопротивления. Галочка View Phase отвечает за отображение фазы импеданса. Это меню также можно вызвать нажатием правой кнопки мыши на графике.

Figure 17

Переходим в меню Record – Calibrate (Figure 18).

Figure 18

Здесь проводится процедура калибровки. Нажимаем кнопку Generate . На индикаторе отобразится уровень входных сигналов. Уровень должен быть таким, каким его устанавливали в меню Setup – Generator (Figure 16). Останавливаем генерацию повторным нажатием кнопки Generate . В поле Number of averages (усреднение) устанавливаем значение 3…5. Нажимаем кнопку Calibrate . По завершении калибровки, справа, в окне Status , отобразится информация о количестве сэмплов тестового сигнала, частоте дискретизации и разнице амплитуды напряжений между каналами (Figure 19). Если эта разница превысит значение 2 dB, программа выдаст предупреждение. Хорошим результатом следует признать значение разницы менее 0.2 dB. Нажимаем ОК .

Figure 19

Все готово для проведения измерений. Я сделаю небольшое отступление и приведу таблицу со значениями относительной погрешности при измерении сопротивления (Figure 20). Относительная погрешность вычислена по формуле ((Rm-Rs)/Rs)*100, где Rs – значение сопротивления, установленного на магазине сопротивлений, Rm – значение сопротивления, измеренное Limp.

Figure 20

Измеряем сопротивление постоянному току (Re) звуковой катушки динамика с помощью омметра и подключаем динамик к клеммам для теста. Располагать динамик на полу нежелательно. Лучше всего подходит небольшая стойка с площадкой меньше диаметра магнита динамика. Если есть возможность закрепить динамик на весу, это будет очень хорошим решением. Внимательно отнеситесь к динамикам, имеющим отверстие в керне. Такие динамики можно измерять только на весу.

В Limp запуск и остановка процесса измерений производится либо через меню Record – Start и Record – Stop , либо с помощью кнопок на панели задач. Кнопка Start обозначена красным треугольником, кнопка Stop – красным кружком. Запускаем процесс измерений. После отображения на экране импеданса и фазы (Figure 21), останавливаем измерения.

Figure 21

Результат измерений можно сохранить с расширением *.lim (File – Save As… ), либо экспортировать в формат *.txt, *.zma, *.csv (File – Export as … ). Если производится экспорт в *.csv, разделитель дробной части (точка, либо запятая) может быть выбран через меню Setup – CSV format .

После измерения импеданса можно рассчитать неполный перечень параметров Тиля-Смолла. Для этого в меню Analyze необходимо выбрать либо Loudspeaker parameters – Added mass method , либо Loudspeaker parameters – Closed box method . Первый пункт меню предназначен для расчета параметров Тиля-Смолла методом добавочной массы, второй – с использованием измерительного ящика. В данном случае разницы нет, но я по привычке использую меню добавочной массы (Figure 22).

Figure 22

В открывшемся окне в поле Voice coil Resistance (ohms) указываем сопротивление звуковой катушки динамика постоянному току и нажимаем кнопку Calculate TSP . Для расчета всех параметров Тиля-Смолла необходимо провести еще одно измерение импеданса – с добавочной массой. Закрываем текущее окно. В меню Overlay выбираем Set as overlay . Кривая импеданса будет зафиксирована программой и на графике изменит свой цвет.

В качестве добавочной массы я использую монеты времен СССР. Их номинал (1, 2, 3 и 5 копеек) соответствует весу в граммах. Оптимальное количество добавочной массы такое, при котором частота основного резонанса подвижной системы уменьшается на 20-50%. Назвать точное количество этой массы невозможно, поэтому для начала следует выбрать небольшую величину – 10-15 грамм. В дальнейшем можно будет добавить (или убавить) и провести измерение повторно.

Располагаем массу на диффузоре динамика, проводим измерение (Figure 23).

Figure 2 3

Переходим в меню . В поле Voice coil Resistance (ohms) указываем сопротивление по постоянному току , в поле Membrane diameter (cm) – диаметр излучающей поверхности в сантиметрах (измеряется между центрами подвеса ), в поле Added mass (g) – добавочную массу в граммах , после чего нажимаем кнопку Calculate TSP (Figure 24).

Figure 24

Данные можно скопировать в буфер обмена (Copy to Clipboard ), либо экспортировать в файл *.csv (Export in .CSV file ).

Для измерения импеданса высокочастотных динамиков необходимо внести некоторые изменения в настройки программы. Также, как и перед началом измерений низко- и среднечастотных динамиков, к клеммам для теста подключается резистор номинальным сопротивлением, равным номинальному сопротивлению динамика. Параллельно резистору подключается вольтметр. С помощью меню – Setup – Generator (Figure 16) производим установку тока через резистор, аналогично описанной выше методики с единственным отличием – ток через резистор необходимо установить в пределах 10 mA . Это безопасное значение тока для нежных твитеров. По завершении установки тока производим настройку чувствительности так, как это было описано ранее. По окончании процедуры настройки устанавливаем в меню Generator Setup в поле Type значение Sine и нажимаем ОК .

Переходим в меню – Setup – Measurement (Figure 15). В поле Low cut-off устанавливаем нижнюю границу частотного диапазона измерений. Для купольных твитеров с низкой (600-700 Hz) частотой резонанса можно использовать значение 200 Hz. Устанавливаем и нажимаем ОК .

В меню Record – Calibrate (Figure 18) проводим процедуру калибровки, описанную выше.

Осторожность не помешает, поэтому сначала вместо динамика подключаем к клеммам для измерения резистор и запускаем процесс измерений. Убедившись, что процесс начинает протекать в соответствии с заданными установками, останавливаем измерение. Теперь подключаем к клеммам для теста измеряемый динамик и вновь запускаем процесс измерений. По окончании измерений остановка генератора произойдет автоматически. Сам процесс измерений на шаговом синусоидальном сигнале – достаточно длительная процедура, наберитесь терпения.

Figure 25

Если интересуют параметры Тиля-Смолла, рассчитать их можно через меню Analyze – Loudspeaker parameters – Added mass method . Достаточно указать сопротивление звуковой катушки постоянному току и нажать кнопку Calculate TSP (Figure 26).

Figure 26

Отдельное спасибо Сирвутису Алексею ( Lexus ) за предоставленную информацию.