Технический форум - Измерение параметров Тиля-Смолла

Не раз приходилось на вопрос "А как измерять параметры ТС?" отправлять людей в гугл, или сторонние порталы, и наконец, мне это надоело... :D В общем в данном топе хочу привести 2 способа измерения ТС. Оговорюсь сразу, материал взят на просторах интернета. Но на мой взгляд оба способа вполне рабочие и точны. :)

И так, перед измерением параметров динамик необходимо "размять". Дело в том, что у неработающего определенное время динамика или у нового динамика параметры будут отличаться, от тех которые мы измерим после того как динамик отыграет определенное время и будет регулярно работать. Поэтому смысл размятия динамика и заключается в получении достоверных параметров измерений.

Самыми основными параметрами, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (корпус, ящик) 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 D (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 резонансной частоты Fs, добротности динамика Qts и ее составляющих электрической и механической добротности Qes, Qms:

Метод 1

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:
Вольтметр
Генератор сигналов звуковой частоты (это можно сделать при помощи компьютера и программного генератора ЗЧ)
Частотомер
Мощный (не менее 2 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
Провода, зажимы и прочая паяльная утварь

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 (программный ГЗЧ), способное генерировать синусоидальные сигналы от 0 до 200Гц требуемой мощности.

Собираем конструкцию вот по этой схеме:

Вложение 139834

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.

Внимание! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора (усилителя) НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений!

Определение Fs и Rmax:

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве, обычно его подвешивают (обычно на люстре) подальше от стен и различныз предметов. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно увеличивайте частоту генератора, начиная примерно с 20Гц, 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.

Определение Qms, Qes и Qts:

Эти параметры определяются по следующим формулам:

Вложение 139835

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:

Вложение 139836

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

Определение сопротивление обмотки головки постоянному току Re:

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.

Метод 2

Схема измерений такая же как и в первом методе, элементы то же такие же: резистор на 1кОм и - генератор, либо генератор звуковой частоты способный выдавать напряжение 10-20В, либо сочетание генератор-усилитель, удовлетворяющее тому же требованию.

Вложение 139844

Размещаем динамик вдали от стен, потолка и пола (часто рекомендуют подвешивать). Подключаем вольтметр к точкам А и С (т.е. к выходу усилителя), и устанавливаем напряжение равным 10-20 В на частоте 500-1000 Гц.
Подключаем вольтметр к точкам В и С (т.е. непосредственно к контактам динамика) и изменяя частоту генератора находим частоту, на которой показания вольтметра максимальны.
Это и есть частота собственного резонанса динамика Fs. Записываем Fs и Us-показания вольтметра.

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:

Вложение 139845

Вычисляем напряжение U12 по формуле:

Вложение 139846

Изменяя частоту, добиваемся показаний на вольтметре соответствующие напряжению U12 находим частоты F1 и F2.

Вычисляем Акустическую или механическую добротность по формуле:

Вложение 139847

Электрическую добротность:

Вложение 139848

И, на конец, полную добротность:

Вложение 139849

Измерения эквивалентного объема Vas

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.

Определение эквивалентного объема 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 (1 дюйм равен 2,54 см). Я советую всё же использовать не монеты, ибо к примеру на 100грамм понадобится аж 20штук 5-копеечных монет! А это согласитесь не очень удобно, по этому желательно использовать обычный пластилин, необходимый вес которого подгоняется при помощи аптечных весов.

Итак эквивалентный объем вычисляется по формуле:

Вложение 139850

где: Sd - эффективная излучающая поверхность диффузора, м2;

Cms - относительная жесткость

Излучающая поверхность диффузора для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна:

Вложение 139851

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.

Рассчитываем относительную жесткость Cms на основе полученных результатов по формуле:

Вложение 139852м/Н (метров/Ньютон)

где М - масса добавленных грузиков в килограммах.

Определение эквивалентного объема методом добавочного объема:

Для определения эквивалентного объема динамика методом добавочного объема герметичный измерительный ящик с круглой дыркой совпадающей по размеру с диаметром диффузора динамика. Объем ящика лучше выбрать ближе к тому, в котором мы потом собираемся этот динамик слушать. 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. герметизируем все щели.

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить механическую и электрическую добротность Qmc и Qec и добротность динамика в измерительном ящике Qts' (Qtс). После чего уже вычисляем эквивалентный объем по формуле:

Вложение 139857

Практически с теми же результатами можно использовать и более простую формулу:

Вложение 139858

где: Vb - объем измерительного ящика, м3

Выполняем проверку вычисляем:

Вложение 139859

и если измеренная в ящике Qts=Qtc, ну или почти равна, значит - все сделано правильно, и можно переходить к проектированию акустической системы.

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

1. 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.
2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
3. 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 - Sd, Cms и Lе.
Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса.

Нахождение дополнительных параметров Сms, Re, Sd, Lе

Определение относительной жесткости Cms:

Определение относительной жесткости описано в методике определения эквивалентного объема Vas методом добавочного массы (см. выше), и вычисляется по формуле:

Вложение 139852м/Н (метров/Ньютон)

где:

М масса грузика, г;

Fs резонансная частота головки, Гц;

F's резонансная частота головки в нагруженном состоянии под грузом М, Гц

Нахождение сопротивления обмотки головки постоянному току Re:

Сопротивление головки постоянному току Re определяется на частоте близкой к 0 Гц или измеряется и непосредственно омметром

Нахождение площади диффузора Sd:

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

Вложение 139851

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 Lе:

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 90°, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:

Вложение 139860

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

Вложение 139861

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

Вложение 139862

И так немного о том как же можно определить параметры Тиля Смолла в JBL SpeakerShop. Для этого нам нужна конечно сама программа, немного опыта работы с электрическими компонентами, а так же не обойдется без пилы и стоместки (значительно проще в этом смысле способ измерения с помощью "коробочки" ).

Вложение 139869

И так сначала выбираем пункт test --> Loudspeaker, как показано на рисунке, и сразу видим еще один загадочный пункт, с помощью него программа нам дает возможность померить параметры диффузора динамика который может быть использован вместо фазоинвертора для воспроизведения низких частот передаваемых задней частью диффузора нашего основного динамика. Проще сказать если мы успели поломать к примеру один низкочастотник, мы отрываем от него магнит, устанавливаем в коробку (закрытый ящик) вместе с рабочим, и при движении нашего рабочего динамика диффузором внутрь коробки, наш не рабочий под действием давления воздуха выдвигается вперед. Короче одна из стенок нашей коробки становиться упругой и воспроизводит именно тот частотный диапазон которого порой нам не хватает в частотной характеристике динамика. Углубляться не будем, принципы измерения примерно одинаковы, так что если кто заинтересуется, может обратиться и к этому пункту.

Вложение 139870

Программа первым шагом предлагает нам ввести свое имя, серийный код, название модели, это может быть полезно когда вы будете работать с каталогам динамиков предложенных Спикершопом, куда вы можете занести и свой динамик. Но это не самое главное, скорее важнее список аппаратуры которая нам понадобиться для теста и принципиальная схема сборки.

Итак нам понадобиться:

1. Signal generator, т.е. нам нужна программа которая бы выдавал синусоидальный сигнал на выход звуковой карты.

2. Усилитель желательно на 100Вт на 4 омную нагрузку.

3. Резистор (сопротивление) на 1000 Ом мощностью 2 Ватта.

4. Вольтметр и омметр (тестер). ВАЖНО, что тестер должен мерить напряжение переменного тока до 0,001 Вольта - именно из-за этой загвоздки метод не прижился

5. Закрытый ящик, с отверстием для динамика.

В зависимости от диаметра динамика, размер ящика выбирается по таблице:

Вложение 139868

Когда мы ввели все чем хотели бы отличиться в будущем, переходим уже непосредственно к измерениям, берем тестер и меряем сопротивления резистора именно того который вроде как 1000 Ом. и вводим значение которое вывел нам тестер.

Дальше меряем диаметр диффузора - линейкой!! Меряем от середины диффузородержателя до середины его самого, то есть не до каемки (самого корпуса), а до середины поверхности которая якобы сгибается при движении диффузора. К сожалению программа не дает возможности вводить площадь диффузора в следствии чего овальные динамики придется прикидывать на глаз.

Вложение 139871

Дальше меряем сопротивление динамика с помощью все того же тестера, не верьте картинке подвешивать его не надо.

Вложение 139872

Теперь возвращаемся к нашей схеме соединений и к крюку. Программа советует разместить динамик подальше от всяческих поверхностей, во избежания резонансов которые могут повлиять на измерения, как показано на картинке с крюком, подвешиваем к потолку. Схема простая, подключаем усилитель к компьютеру (к выходу звуковой карты) и последовательно с сопротивлением в 1000 Ом (1КОм) подключаем динамик)

Тут же первый шаг который мы делаем, запускаем программу генератора тона (описана выше) и выставляем в ней частоту 500Hz, настраиваем громкость усилителя так что бы напряжение на сопротивлении (как показано на схеме ниже) был в районе 10÷20 Вольт, и вписываем точное значение которое при этом показывает тестер.

Вложение 139873

Теперь меряем резонанс динамика в открытом воздухе, для этого подключаем тестер к контактам динамика, оставляя схему в прежнем собранном виде, и включив тон генератор, начиная где-то с 150 Гц, снижаем частоту до тех пор пока она вольтметр не покажет наибольшее значение, логично что после него вольтаж будет падать. Фиксируем частоту на тон генераторе и вписываем в спикершоп.

Вложение 139874

На следующей вкладке вводим наибольший вольтаж зафиксированный выше на тестере.(вводим конечно значение до сотых). На следующей вкладке мы снижаем частоту генератора тонов до тех пор пока тестер не покажет значение предложное спикершопом (на вкладке в окошке с пояснениями слева), и конечно же опять записываем частоту зафиксированную на генераторе. Дальше следуют те же самые действия только в большую сторону от зафиксированного резонанса динамика в открытом воздухе. Увеличиваем частоту до тех пор пока не зарегистрируем нужного вольтажа на тестере. Обычна программа после данного пункта очень ругается, что величины не достаточно точные, вы можете это пропустить, но конечно это скажется на измерениях, если не появилось замечательно.

Теперь программа просит вас ввести объем Закрытого ящика, который мы уже нашли под наш динамик выше, вводим его объем.

Вложение 139875

Теперь находим резонанс динамика в нашем ящике, для этого просто устанавливаем динамик в нее, только лицевой стороной внутрь, схему оставляем прежней, и меряем на контактах динамика вольтаж, снижая частоту генератора от 150 Гц вниз до тех пор пока не зарегистрируем наибольший вольтаж.

Вложение 139876

На следующей вкладке вводим само значение вольтажа на тестере.

Опять таки отталкиваясь от значения резонанса в коробке, уменьшаем частоту генератора пока не зафиксируем вольтаж предложенный программой (на вкладке в окошке с пояснениями слева).Потом опять таки от значения резонанса в коробке, идем вверх увеличивая частоту до предложенного вольтажа программой.

Жмем Ок! получаем результат!. В левом окошке написаны все параметры вашего динамика, продолжив спикершоп примет эти параметры (теперь вы можете строить графики и рассчитывать не задаваясь вписыванием параметров в таблички спикершопа исходных данных) и вы сможете в меню Файл сохранить их на долгую память, либо занести в базу данных спикершопа. (сделайте это до закрытия программы).

Вложение 139877