Sergei Klimanski

Здесь пойдет речь пойдет об измерении параметров Тиля – Смола динамических головок мощностью более 3 ватт, которые предназначены для работы в акустических системах в качестве источника низкочастотного сигнала. Это могут быть как басовики ( НЧ звено в многополосной системе  или сабвуфере  ), так и широкополосные динамики.

К сожалению, в интернете есть много не совсем корректной информации на эту тему. Поэтому пришлось по крупицам собирать пригодные для работы источники.  Мне кажутся весьма странными советы замерять басовые динамики сигналом в 10мВ.  Есть много отзывов людей, которые попались в эту ловушку и потом удивлялись, что за полная чушь получается в результате такого рода измерений.  Сколько тогда на динамик надо подавать ?  Если вашей целью является обмер басовика или широкополосника с целью выбрать для него подходящее АО для повышения отдачи в нижнем регистре, то  более всего вызывающим доверие источником кажется работа фирмы SB Acoustics https://sbacoustics.com/wp-content/uploads/2021/01/Measuring-Thiele-Small-parameters.pdf  . Она,  правда, на английском языке и содержит только общую информацию с формулами, но остальное, как раз,  можно найти и в русском интернете.  Главное, что  там принято подавать на ГД  переменный тестовый синусоидальный сигнал  величиной  примерно в 1 Вольт ( то есть в 100 раз больше, чем советуют наши мудрецы ) на резонанской частоте.   При этом мощность, подаваемая на испытуемый динамик сопротивлением, например, 8 Ом будет  всего  около 0.1 ватта – это тем, кто боится  повредить  свой динамик.    Схема испытания такова:

Как видим,  в принципе то же самое, только добавлен еще один вольтметр Р1 и  номинал резистора не 1 Ком, а всего 10 Ом ( мощность 10 ватт ), и нужно выставить  амплитуду в 1 Вольт, и после этого амплитуду генератора уже не менять. Правда, есть требования к источнику ( генератору ) – он должен быть с выходным сопротивлением не более 0.1 Ома.  Если такого генератора нет, то между генератором который имеется в наличии и измерительной схемой нужно включить какой-то УНЧ на полупроводниках.   Или, как это сделал я –  понижающий трансформатор. У меня как источник  – старый добрый  Г3-118 с выходом 10 Вольт и выходным  сопротивлением  5 Ом. Чтобы снизить выходное сопротивление, я использовал выходной звуковой  трансформатор для лампового усилителя с Ra=1.25Ком/8Ом, который имеет коэффициент трансформации  Ктр 12.5,  и Г3-118 подключил к первичке, а измерительную схему – ко вторичке.   Этот трансформатор снижает импеданс  генератора  в Ктр в квадрате раз, то есть в  12.5 * 12.5 = 156 раз, и  тогда выходное сопротивление генератора 5  Ом делим на 156 получаем результирующее выходное сопротивление 0.03 Ома.  Менее чем достаточно для измерений.    Конечная  схема измерения параметров Тиля – Смола:

По сути вольтметр Р1 был бы вовсе не нужен, но только для случая, когда генератор обеспечивает стабильность выходного сигнала независимо от частоты и импеданса нагрузки, а также если АЧХ усилителя ( трансформатора ) идеально ровная. Учитывая тот факт, что идеального у нас ничего не бывает,  этот вольтметр все-таки нужен ( так и советует источник по сслыке выше ). Кроме того, важно, чтобы вольтметры были однотипные, желательно вообще одинаковые, чтобы нивелировать возможную зависимость их показаний от частоты. Я использовал два обычных тестера на пределе измерения 2 Вольта.

И еще. Есть много советов использовать sweep генератор и звуковую карту для получения кривой импеданса на экране компьютера. Это конечно много удобнее, но к сожалению, для любителя это вряд ли пройдет,  т к там есть много подводных камней, на которые можно “сесть” – как в методике такого рода измерений, так и в ее аппаратурном оформлении.   Поэтому советую делать все по-старинке, задавая генератором частоты вручную  с некоторым шагом ( около пика импеданса –  1 – 2 герца, в остальных регионах 5  и более Гц  если вдали от пика ) постоить график импеданса головки по точкам. Вы ведь не делаете это серийно и скорость тут совсем не нужна, а одну головку обмерить и обсчитать таким образом можно за 15 – 20 минут. У меня получается  на графике 20 – 25  точек.

Теперь сами измерения и расчеты. Сначала по показаниям вольтметров  для каждой частоты нужно рассчитать импеданс ГД. Для это используем формулу:

Z = R * U2/(U1-U2)                                                                                                                ( 1 )

где  по схеме:

R – точная величина сопротивления R1  ( в моем случае 10 Ом );

U1 – показания польтметра Р1 для данной частоты;

U2 – показания вольтметра Р2 для данной частоты.

И строим кривую зависимости импеданса Z от частоты.  Я делал это в Excel, это позволяет не только автоматически подсчитывать величину Z, но и  построить график, по которому легче найти две величины F1  и  F2, которые нам понадобятся для вычисления параметров Тиля-Смола. Конечно, можно постоить тот же график и на миллиметровке и просто на листе клетчатой бумаги. Должно получиться что-то типа вот этого ( ниже ), на примере динамика 8ГД-1-25 ( замечание – цифры моих замеров в столбцах только для примера – я, честно признаюсь, тут немного промахнулся с выставленной изначально амплитудой, ведь  она как бы не должна быть больше 1 Вольта на частоте резонанса, а у меня она поднималась до 1.356 Вольта – но потом я перепроверял все эти цифры на меньших амплитудах и никакого существенного отличия не обнаружил. Поэтому в первоисточнике и указано, что 1 вольт выставляем “примерно”  и это хорошая новость ):

Кстати, вот  и ссылка на Excel файл  Impedance_calc

Далее нам нужно замерить омическое сопротивление ГД – просто тестером, конечно, учитывая сопротивление проводов. Эта величина обозначается Re. Для моего 8ГД1-25 это 6.6 Ома.

Теперь мы можем вычислить сразу несколько параметров:

Fs –  резонансная частота ГД в Гц – по максимуму на кривой импеданса. В нашем примере с 8ГД-1-25 это 30 Гц, когда величина Z максимальна – 66.47 Ома – записываем  эту  величину, она нам тоже понадобится, и обозначается она как Rmax.

Ro = Rmax/Re                                                                                                                           ( 2 )

у нас это 66.47 *6.6 = 10.07 Ома, далее

Rx= SQRT(Ro) *Re                                                                                                                  ( 3 )

– величина сопротивления, на которой по графику находим две величины F1  и  F2.  Здесь SQRT ( х  )   – это квадратный корень из величины х, прошу извинить за неудобства, у меня нет возможности набирать формулы по-другому. В моем примере Rx = SQRT( 10.07 ) * 6.6 = 20.9 Ом.  На графике импеданса проводим горизонтальную линию, соответствующую сопротивлению Rx = 20.9 Ома, и в тех местах, где эта линия пересекает график импеданса опускаем линию на ось Х, и определяем значание F1  и F2.

В моем случае это 19 и 51 Гц. Теперь у нас есть все, чтобы посчитать показатели добротности – механическую Qms, электрическую Qes и полную Qts.

Qms = Fs * SQRT( Ro)/ ( F2 – F1 ) = 30 * SQRT (  10.07 ) / ( 51 – 19 ) = 2.97                ( 4 )

Qes = Qms/ ( Ro – 1 ) = 2.97/ ( 10.07 – 1 ) = 0.327                                                                ( 5 )

Qts = Qms/ Ro = 2.97 / 10.07 = 0.295

Для выбора АО полезно знать также Vas для динамика. Чтобы его вычислить, нужны еще дополнительные измерения. Во-первых, нужно знать эффективную площадь диффузора. Бывает, что производители дают этот параметр, если его нет, тогда нужно просто измерить диаметр диффузора.  А зная его  можно вычислить площадь по формуле

Sd = pi * D * D/4                                                                                                                            ( 6 )

Правильнее пользоваться системой СИ и брать D в метрах, но цифры тогда получаются совсем маленькие, не удивляйтесь.

Кроме этого, для вычисления Vas понадобится величина Cms, чтобы вычислить которую придется запастись грузиками и снова вернуться к установке описанной ранее. Я использовал круглые магнитики ( их понадобится 4 штуки, в моем случае весом около 2.55 грамма каждый  ), которые надо взвесить и попарно поставить с обеих сторон диффузора, диаметрально противоположно, чтобы они равномерно нагружали подвижную систему примерно вот так

и снова замерить величину основного резонанса. Здесь нужна только величина Fs ( только обозначим ее как Fm чтобы избежать путаницы  ),  а полный график импеданса тут не нужен.

Величина Cms вычисляется по формуле:

Сms =   ( ( Fs + Fm )*(Fs – Fm )/ ( Fs * Fs * Fm * Fm ))/ ( 4 * pi * pi * m)                             ( 7 )

где m – полная масса грузов в кг.

Не удивляйтесь, у меня на клавиатуре также нет и возможности обозначить возведение в степень, поэтому вместо этого величина просто перемножена на себя.  Как результат, Cms в системе СИ получается  десятичная дробь с множеством нулей. Чтобы вычислить Vas  далее используем другую  формулу

Vas =  1.4 * 100000 * Sd * Sd * Cms                                                                                                ( 8 )

и Vas получается в кубометрах. Сделаем вычисления по нашему примеру. Резонансная частота 8ГД-1-25 после подвешивания грузов с m = 10.2 г ( это в системе СИ 0.0102 кг )  получилась Fm= 27.5 Гц.   Тогда

Cms =   (( 30 +27.5)*(30-27.5)/(30*30*27.5*27.5))/(4*3.14*3.14*0.0102)= 0.000525

и подставляя эту величину в формулу ( 8 ) получаем

Vas = 1.4 * 100000 * 0.0314 * 0.0314 * 0.000525 = 0.0726 кубометров, или 72.6 литра.  Sd принят 0.0314 квадратных метра и вычислено по формуле ( 6 ) исходя их диаметра диффузора 20 см.

В результате  замеров у меня получились такие параметра динамика 8ГД-1-25:

Sd  0.0314 кв.метра

Cms 0.000525

Vas 74 литра

Re 6.6 Ohms

Qms  2.97

Qes 0.327

Qts  0.295

Как видите, если разобраться, то ничего особо сложного нет.

Да, и конечно  перед проведением замеров динамик  надо обязательно размять до стабилизации Fs, если это новый динамик это может потребовать 5 – 10 часов, а если винтажный с хранения – то даже сутки и более. Разминку можно делать  подачей того же 1 вольта  ( на динамики большой мощности можно и поболее –  вообще есть рекомендации подавать максимальный сигнал до появления клиппинга )   на частоте близкой к резонансной или чуть ниже нее ( до  0.8 от  предполагаемой Fs ).

*************************************************************************************************