Начнем разбираться с основными параметрами динамиков. Добротность – один из ключевых параметров.
Добротность динамика – это не про то, насколько качественно он сделан:) Много мифов и заблуждений я слышал относительно этого параметра, но, он очень важен. И было бы не плохо разобраться и разложить все по полочкам.
Не зная значение добротности сказать что-то вразумительное о динамике будет невозможно.
У многих я спрашивал, что же такое добротность, и абсолютное большинство людей, будучи не первый день в звуке и автозвуке, как-то неуверенно говорили про потери, про соотношение упругих и вязких сил, про ширину резонансной полки… А дополнительные вопросы вообще вводили народ в тупик:)
Если говорить простыми словами, добротность — это история про затухающие колебания. Про то, как именно динамик ведет себя после устранения возмущающей силы (прекращения сигнала).
Что нам скажет википедия: добротность — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. Обозначается символом Q от англ. quality factor.
Все понятно?:)
Давайте разбираться: что в динамике отвечает за запасы энергии, а что за потери.
Очевидно, что запасать энергию могут подвесы: внешний подвес и центрирующая шайба — это пружины, которые стремятся вернуть подвижку в первоначальное состояние.
А вот с потерями все не так очевидно. Есть механические потери (Qms), сюда входят потери на трение в подвесах, затраты энергии на звукоизвлечение и т.д. Но этот компонент не доминирует в общей картине, главную скрипку играет электрическая добротность (Qel или Qes). Среднее значение механической добротности для низкочастотного динамика от 2 до 10.
В моторе динамика происходит следующая интересная штука: проводник (катушка), двигаясь в магнитном поле вырабатывает ЭДС, то есть, работает не как двигатель, а как генератор. Обычно динамики подключены к усилителю, а у них (у усей) мизерное сопротивление, очень близкое к 0.
Получается, что когда сигнал от усилителя исчезает, а динамик «на ходу» – он работает как генератор, причем с максимальной нагрузкой (выходы катушки практически закорочены). Эта нагрузка создает достаточно мощную тормозящую силу, вынуждающую катушку и дифузор быстро остановиться.
Среднее значение электрической добротности для низкочастотного динамика от 0,2 до 0,9. Сравните это с типовыми значениями механической добротности, и станет очевидно, что гашение колебаний (потери энергии) происходят преимущественно из-за электрической составляющей.
Можно провести простой эксперимент: взять низкочастотный динамик и аккуратно постучать по диффузору (за целостность динамика я не отвечаю!))) Вы услышите небольшой гул на резонансной частоте.
Если закоротить выводы катушки и постучать еще раз – гула уже не будет, потому что колебания на резонансной частоте практически сразу же гасятся в магнитной системе динамика.
Электрическая и механическая добротности складываются друг с другом и в итоге получается полная добротность – именно этот параметр мы используем для расчетов оформления. Да, знать добротность нам нужно именно для этого – чтобы можно было определить, какой корпус и какое акустическое оформление подойдет к нашему динамику.
Механическая и электрическая добротности складываются не просто суммой, а формулой, аналогичной сопротивлению при параллельном включении:
Qts=Qes*Qms/( Qes+Qms)
Делаем вывод: чем мощнее у динамика мотор (при прочих равных), тем меньше будет добротность. Поэтому на сверхмощных сабах ставят по нескольку жестких центрирующих шайб, иначе добротность упадет ниже плинтуса:)
С запасами и потерями энергии вроде разобрались. Теперь определимся с конкретными значениями.
Высокая добротность – это когда потери малы, а энергии в подвесах запасено много и колебания продолжаются после исчезновения возмущающей силы. Причем это не случайные колебания, а именно колебания на частоте резонанса головки.
Низкая добротность – потери велики, и при исчезновении сигнала колебания сразу же затухают. У такого динамика нет склонности выделять какую-то определенную частоту.
Логично предположить, что для динамика подойдет именно низкая добротность! Нам не нужно, чтобы после окончания сигнала динамик сам по себе продолжал что-то доигрывать (и всегда на одной и той же частоте). Важно понимать, что высокодобротный динамик не будет продлевать короткие ноты, он к любому возмущению будет добавлять бубнеж на своей частоте резонанса. Оттого звук становится монотонным, окрашеным, с постоянным гулом — ну, я думаю, все знают, как звучат дешевые компьютерные бубнелки и музыкальные центры?:) А нам важно чтобы дин воспроизвел именно тот сигнал, который на него отправили, без импровизаций и самодеятельности.
Слишком низкая добротность – это тоже не хорошо. В этом случае в зоне резонанса динамика появляется завал относительно уровня высокочастотного излучения, тем шире, чем ниже добротность. Добротность в итоговой конструкции должна составлять вполне определенные значения.
Выделяют два особых значения добротности:
- Q=0,577 (функция Бесселя, характеризуется минимальными временными задержками.
- Q=0,707 Баттервота, максимально гладкая АЧХ
Добротности ниже 0,5 ведут к сильному завалу НЧ, выше 1 – явно появляется вброс АЧХ на частоте резонанса.
^Нажмите для увеличения^
Иллюстрация взята из книги Гапоненко С.В. «Акустические системы своими руками», а сам Гапоненко взял эту картинку из книги небезызвестного Р. Смолла
От чего зависит добротность?
Добавим чуть больше практики и теоретические тезисы из первой части статьи попробуем переложить на реальные динамики.
Итак, от чего же зависит добротность?
- От силы мотора.Чем мощнее магнитная система, чем больше магнитное поле в зазоре, чем больше проводника находится в этом зазоре – тем ниже будет значение добротности.
Мне удалось показать это в эксперименте: добавил к динамику дополнительный магнит, тем самым увеличив магнитное поле.
^Нажмите для увеличения^
Дополнительным магнитом удалось существенно снизить добротность динамика. Резонанс остался неизменным.
- Добротность зависит от жесткости подвесов. Чем больше жесткость, тем больше энергии может быть запасено, тем выше добротность.
Поэтому, если у вас стоит задача снизить добротность динамика, можно попытаться снизить жесткость. Заменить подвесы, размягчить резину подвеса пропитками. Некоторые даже вырезают сектора из центрирующей шайбы, но это очень рискованный путь:)
- Масса подвижки.Как мы уже знаем, низкая добротность – показатель мощного мотора. А увеличение массы как бы делает усилия мотора менее существенными. Проверяем: вот два замера одного и того же динамика. Первый замер – динамик в первозданном виде, второй – с дополнительным грузом на диффузоре.
^Нажмите для увеличения^
Добротность при увеличении массы растет, резонансная частота падает.
- Провода. Если провода обладают существенным сопротивлением, то они будут увеличивать добротность, так как нагрузка на «генератор» в лице динамика падает. Вот тестовый замер 4 Ом динамика и того же самого динамика, подключенного через 4 Омный резистор. Добротность возросла с 1,1 до 2,3. Причем изменилась именно электрическая добротность. Вывод: провода должны иметь минимальное сопротивление. Открыл Америку, блин))
^Нажмите для увеличения^
Как сопротивление провода влияет на добротность.
Как влияет акустическое оформление?
Объем воздуха в закрытом ящике работает как дополнительная воздушная пружина, следовательно жесткость колебательной системы растет, добротность растет. Чем меньше объем ящика, тем сильнее растет добротность.
В ЧВ к диффу как бы прикрепляется масса воздуха в туннеле, оттого итоговая добротность растет. Во фри, ОЯ, БЭ и прочих существенно меняться добротность не должна.
Для себя я сделал следующий вывод, и думаю, что он правильный: мы должны получить итоговую добротность всех резонансов в пределах 0,5-0,7. Вне зависимости, какое оформление мы выбрали.
Как видим, все акустические оформления в лучшем случае не меняют добротность, а в большинстве случаев существенно ее поднимают. Поэтому нам нужны низкодобротные динамики с добротностями от 0,3 до 0,7. Для того, чтобы возросшая в оформлении частота составила нужные нам 0,7.
Но, с этим связана некоторая подстава:) 99% дешевых и легкодоступных динамиков высокодобротные. Я говорю про бюджетную автомобильную акустику, про динамики, устанавливаемые в компьютерные колонки, в музыкальные центры, в бюджетные системы 5:1, в бумбоксы всякие. Почти везде добротность динамика близка к 1, а зачастую и того больше.
Не знаю, почему так делается, то ли на магнитах экономят и не могут в рамках бюджета сделать мощный мотор, то ли специально делают так, чтобы в ущерб качеству «долбило» лучше (а долбить оно будет реально сильнее, и на любой композиции одинаково: в частоту резонанса).
А может это тонкий маркетинговый ход, вынуждающих тех, кто слышит разницу, платить вместо 5000р за колоночки 50 000+?:)
Автор: Денис (АЗвука – теория звука) 29.12.19
