Техносфера - Любительские громкоговорители-4

Содержание

Предисловие .................................................................................... 4

Глава 1. Динамические головки ..................................................... 5

1.1.

Параметры динамических головок .................................... 5

1.2.

Выбор динамических головок для любительского

громкоговорителя ..............................................................13

Глава 2. Кроссоверы громкоговорителей......................................29

2.1.

Термины и понятия ...........................................................29

2.2.

Фазовые соотношения ......................................................32

2.3.

Задержки ............................................................................35

2.4.

Фильтры .............................................................................37

2.5.

Корректирующие и компенсирующие цепи ....................48

2.6.

Схема коррекции фазы ......................................................53

2.7.

Взаимодействие фильтра нижних частот с басовой

головкой .............................................................................57

2.8.

Разработка кроссовера.......................................................67

Глава 3. Примеры разработок кроссоверов

громкоговорителей ........................................................................70

3.1.

Двухполосный кроссовер для динамических головок

Audax HM170Z18, Morel MDT30 ......................................70

3.2.

Трехполосный кроссовер для динамических головок

Scanspeak 18W/8531G00, D2905/97000, Morel MDM55 .......82

Глава 4. Конструкции любительских громкоговорителей ...........91

4.1.

Мини-монитор ..................................................................91

4.2.

Двухполосный громкоговоритель на динамиках

Morel ...................................................................................96

4.3.

Двухполосный громкоговоритель МТМ ........................ 101

4.4.

Монитор на динамиках Scanspeak 15M/4531G04,

Morel ET338 ..................................................................... 106

4.5.

Четырехполосный громкоговоритель ............................. 111

4.6.

Громкоговоритель MoScWa compact 3 way ...................... 139

Список литературы ....................................................................... 147

Предисловие
Целью написания этой работы является желание поделиться опы
том построения громкоговорителей в любительских условиях. При
написании этой работы использовался материал книги «Любитель
ские громкоговорители 3», который был дополнен и переработан с
учетом опыта построения громкоговорителей, приобретенного ав
тором в последние четыре года. Кроме материала общего характе
ра, касающегося выбора динамических головок и проектирования
кроссоверов, в эту работу включены описания конструкций люби
тельских громкоговорителей, разработанных для повторения в до
машних условиях. Описания конструкций любительских громко
говорителей содержат как информацию технического характера, так
и сведения о характере звучания громкоговорителей, полученные
по результатам прослушивания громкоговорителей привлеченны
ми экспертами. Автор благодарит любителей, которые потратили
время на прослушивание и высказали мнение о качестве звучания,
а также участников форума ВЕГАЛАБ за обсуждение конструкций
громкоговорителей. Заранее благодарю читателей, которые при
шлют замечания и вопросы по этой работе.
С. Бать
sdsbatti@mail.ru

ГЛАВА 1
ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ
1.1. Параметры динамических головок
Информация по параметрам динамических головок приводится в
каталогах фирм производителей, торговых компаний и на сайтах
в Интернете. Ниже будут рассмотрены параметры динамических
головок, которые обычно содержатся в указанных источниках.
Мощность динамических головок характеризуется рядом пара
метров.
Short term maximum power (Pst) – кратковременная максималь
ная тепловая мощность. Это предельное значение мощности, при
которой не разрушится звуковая катушка от импульса заданной
длительности, например, 1 или 20 мс. Параметр по существу ха
рактеризует теплоемкость и механическую прочность звуковой ка
тушки.
Long term maximum power (Plt) – длительная максимальная теп
ловая мощность. Это предельное значение мощности, при кото
ром температура звуковой катушки не превысит допустимого зна
чения. Параметр характеризует тепловое сопротивление между
звуковой катушкой и окружающей средой. В современных дина
мических головках звуковые катушки могут работать при достаточ
но высоких температурах, например 200 °С, если используются тер
мостойкие материалы (Capton, алюминий и т.п.). Если допустимая
рабочая температура звуковой катушки составляет 200°, а изгото
витель указывает величину Plt = 100 Вт, можно считать, что теп
ловое сопротивление между звуковой катушкой и окружающей
средой равно примерно 1,8° на ватт. Это означает, что перегрев
звуковой катушки относительно окружающей среды составит при
мерно 18°.
Plt измеряется на шумовом сигнале с использованием взвеши
вающего фильтра, который приближает спектральную мощность
измерительного сигнала к музыкальному. Для СЧ и ВЧ головок
дополнительно указываются частота среза и крутизна спада пере
даточной характеристики фильтра высоких частот, ограничиваю
6 Глава 1. Динамические головки
щего снизу полосу испытательного сигнала. Например, для ВЧ го
ловки может оговариваться длительная тепловая мощность 90 Вт
при условии использования фильтра с частотой среза 3000 Гц и кру
тизной спада 12 дБ на октаву.
При использовании подобного фильтра мощность, попадающая
на головку, существенно меньше мощности на входе фильтра. В спра
вочных данных изготовителей указывается мощность на входе филь
тра, при этом фильтр может не упоминаться. Результатом такого спо
соба указания мощности в справочных данных является частый
выход из строя ВЧ головок из за перегрузки частотами, для работы
на которых они не предназначены.
Ознакомившись с каталогами, можно убедиться, что у многих
изготовителей динамические головки разного размера, но с оди
наковыми звуковыми катушками имеют одинаковые значения Plt.
Любителю, который подбирает головки для своей конструкции,
интересно знать, какую мощность музыкальной программы он смо
жет подавать на динамическую головку при искажениях, не слиш
ком сильно заметных на слух. К сожалению, эта величина слабо
связана с Plt, она сильно зависит от конструкции динамической
головки, акустического оформления и характера музыкальной про
граммы. Ориентировочно можно считать, что в удачно выполнен
ном акустическом оформлении на динамик высокого качества мож
но подавать 0,25Plt.
В отдельных случаях изготовители динамических головок при
водят график зависимости уровня звукового давления от мощности
шумового сигнала, подобный показанному на рис. 1.1. На неболь
ших мощностях этот график имеет вид прямой линии, выходящей
из начала координат с некоторым наклоном. По мере увеличения
мощности линейный прирост звукового давления прекращается,
и график начинает постепенно загибаться, отклоняясь от прямой.
Величина мощности, соответствующая границе линейного участ
ка, является максимальной неискажнной мощностью.
Operating power – рабочая мощность. Этот параметр указывается
для динамических головок, предназначенных для бытовой аппара
туры. Рабочая мощность соответствует звуковому давлению 96 дБ на
расстоянии 1 м.
Characteristic sensitivity (SENS) – характеристическая чувстви
тельность. Этот параметр показывает среднее по ряду частот зву
ковое давление в децибелах, которое создает динамическая голов
ка вдоль оси на расстоянии 1 м при подводимой мощности 1 Вт.
В некоторых каталогах торговых фирм, например, Madisound, ха
рактеристическая чувствительность указана при напряжении 2,83 В
независимо от сопротивления головки. Для динамических головок,
имеющих сопротивление меньше 8 Ом, значение характеристичес
кой чувствительности при таком подходе получается завышенным.
Для низкочастотных головок чувствительность указывается, как
правило, на средних частотах. На низких частотах, для воспроиз
ведения которых предназначены такие головки, чувствительность
оказывается значительно меньше. Изготовитель не может огова
ривать чувствительность на низких частотах, поскольку она суще
ственно зависит от акустического оформления. Для любителя важ
но знать, что НЧ головка, например, диаметром 200 мм за счет
сужения диаграммы направленности на средних частотах способ
на концентрировать звуковое давление вдоль оси. На низких часто
тах, когда длина волны значительно больше диаметра диффузора,
диаграмма направленности становится очень широкой, соответ
ственно уровень звукового давления падает. Разница между чув
ствительностью, указанной в справочных данных, и чувствитель
ностью, которую реально может обеспечить головка на низких
частотах, может достигать 6 дБ.
SPL, дБ
110
103
100
90
0 1 10 20
Р, Вт
Рис. 1.1. Зависимость звукового давления от мощности шумового
сигнала
8 Глава 1. Динамические головки
Полное сопротивление динамических головок характеризуется
рядом параметров, которые указываются в справочных данных.
Nominal impedance (Zn) – номинальное сопротивление. Обыч
но Zn указывается изготовителями в соответствии с принятым ря
дом значений, т.е. 4, 6, 8, 16 Ом. Номинальный импеданс является
некоторой усредненной величиной, используемой для оценочных
расчетов.
Voice coil resistance (Revc) – активное сопротивление звуковой
катушки.
Фактический импеданс динамической головки Z всегда боль
ше Revc. Это связано с тем, что Revc измеряется на постоянном токе,
когда звуковая катушка неподвижна.
Z измеряется на переменном напряжении, обычно на частоте
1000 Гц. В этом случае в величину модуля полного импеданса вно
сят вклад ЭДС, возникающая в звуковой катушке за счет ее движе
ния в магнитном поле, и индуктивность звуковой катушки.
Voice coil inductance (Levc) – индуктивность звуковой катушки
изготовители обычно указывают в справочных данных на частоте
1000 Гц. Кроме того, в справочных данных приводится зависимость
от частоты модуля полного сопротивления динамической головки
в графическом виде подобно изображенной на рис. 1.2.
Z, Ом
30
100
10
3
Z Min
20 100 1000 10 000 F, Гц
Рис. 1.2. Зависимость от частоты модуля полного сопротивления
динамической головки
Величина индуктивности звуковой катушки зависит от часто
ты и положения звуковой катушки относительно магнитной сис
темы. Свойство Levc изменять величину в зависимости от частоты
и амплитуды сигнала является нелинейностью, приводящей к воз
никновению линейных (фазовых) и нелинейных (гармониче
ских и интермодуляционных) искажений. Влияние нелинейности
индуктивности звуковой катушки на качество воспроизведения зву
ка особенно заметно на средних частотах.
Читателям, заинтересовавшимся этим вопросом, рекомендую оз
накомиться со статьей С. Агеева «Должен ли УМЗЧ иметь малое вы
ходное сопротивление?», опубликованной в журнале «Радио» (№ 4,
1997).
В справочных материалах изготовители указывают ряд парамет
ров, характеризующих положение звуковой катушки относитель
но магнитной системы.
Voice coil height – длина намотки звуковой катушки.
Air gap height – длина воздушного зазора магнитной системы.
Linear coil travel – линейный размах движения звуковой катушки.
Предполагается, что в пределах линейного размаха магнитное поле,
взаимодействующее со звуковой катушкой, остается постоянным.
Многие изготовители указывают половину линейного размаха,
обозначая этот параметр Xmax. По существу Xmax является макси
мальной амплитудой колебаний звуковой катушки, при которой
сохраняется линейный характер взаимодействия с магнитным по
током, т.е. равные приращения тока вызывают равные прираще
ния силы, действующей на катушку.
Рассмотренные параметры связаны простым соотношением:
Xmax = 0,5(Hvc – Hag).
Это соотношение справедливо для динамических головок, у
которых длина звуковой катушки больше длины зазора магнитной
системы. Xmax является весьма важным параметром, характеризу
ющим перегрузочную способность динамической головки.
Как показывает практика, перегрузка динамической головки в
большинстве случаев происходит в результате выхода амплитуды
колебаний звуковой катушки из линейного участка, т.е. в результа
те превышения величины Xmax. В большинстве случаев такой ре
жим наступает гораздо раньше, чем происходит превышение мощ
ностных и тепловых параметров. В первую очередь это связано с
тем, что амплитуда колебаний звуковой катушки имеет тенденцию
возрастать обратно пропорционально квадрату частоты.
Возможность перегрузки по Xmax важно иметь в виду примени
тельно к СЧ и ВЧ головкам, поскольку они имеют, как правило, ма
лую величину линейного участка хода звуковой катушки. Выход ам
плитуды колебаний звуковой катушки за пределы линейного участка
сопровождается значительным ростом искажений. В связи с этим
мне представляется разумным следовать рекомендациям изготови
телей по использованию ВЧ головок с фильтрами не ниже второго
порядка так, как это оговаривается в мощностных параметрах. Кро
ме обеспечения эксплуатационной надежности подобные рекомен
дации способствуют снижению искажений на повышенных мощ
ностях сигнала.
Maximum coil travel – максимальный размах движения звуковой
катушки, не вызывающий ее повреждения. Он превышает линей
ный размах движения, следовательно, искажения при максималь
ном размахе могут быть весьма велики. Музыкальная программа со
держит широкий спектр частот. Если, предположим, СЧ головка
вышла в режим максимального размаха под воздействием частоты
200 Гц, скорее всего искажения на частоте 200 Гц заметны на слух не
будут из за маскировки неискаженным сигналом НЧ головки, но на
частотах более высоких, где излучение НЧ головки сильно ослабле
но, искажения за счет нелинейного режима будут весьма заметны.
Effective piston area (Sd) – эффективная площадь диффузора;
вычисляется как площадь окружности, диаметр которой включает
диаметр диффузора и часть ширины подвеса. Этот параметр обыч
но имеется в справочных данных изготовителей. Эффективная пло
щадь диффузора совместно с Xmax характеризует способность ди
намика смещать объем воздуха в пределах линейного участка
движения звуковой катушки. Смещаемый объем воздуха является
важным предельным показателем низкочастотной головки, посколь
ку он определяет максимальное значение звукового давления, ко
торое может обеспечить динамическая головка на низких частотах
при нормированных искажениях.
Например, динамическая головка Peerless 850432 имеет линей
но смещаемый объем 0,000441 куб. м, что позволяет получить на
частоте 30 Гц амплитудное значение звукового давления 99,6 дБ на
расстоянии 1 м.
Moving mass (Mms) – подвижная масса динамической головки;
включает массу диффузора, массу звуковой катушки, часть массы
подвеса и присоединенную к диффузору массу воздуха. Без присо
единенной массы воздуха подвижная масса обозначается Mmd. Это
полезно знать при использовании компьютерных программ, когда
при построении модели динамической головки неточность в ука
зании массы приводит к дополнительной погрешности результа
тов расчета.
Suspension compliance (Cms) – гибкость подвеса. Cms показыва
ет, насколько сместится диффузор при воздействии на него еди
ничной силы, приложенной в направлении движения звуковой
катушки. Являясь отношением смещения к силе, Cms измеряется в
миллиметрах на ньютон.
В рабочем режиме динамической головки сила, прикладывае
мая к звуковой катушке, образуется в результате взаимодействия
тока, протекающего через звуковую катушку с магнитным полем в
зазоре. Это взаимодействие характеризуется параметром, который
носит название «силовой фактор – Force factor (BL)». BL измеря
ется либо в ньютонах на ампер, показывая силу действующую на
звуковую катушку, приведенную к единице тока, либо в тесла мет
рах, показывая произведение эффективной длины провода на ин
дукцию в зазоре магнитной системы. Оба варианта равноценны,
цифры при этом тоже совпадают.
Некоторые производители, например, Audax и Scaaning, в спра
вочных данных приводят параметр под названием Acceleration factor
(A) – фактор ускорения. Этот параметр является мерой ускорения,
сообщаемого подвижной массе единицей тока в звуковой катуш
ке, и вычисляется по формуле:
,
Mms
BL
A =
размерность фактора ускорения
.
сек2 A
M
Ускорение звуковой катушки, совершающей синусоидальные
колебания, имеет тенденцию роста пропорционально квадрату ча
стоты, если амплитуда колебаний остается постоянной. В связи с
этим фактор ускорения НЧ, СЧ и ВЧ головок сильно отличается.
Например, НЧ головки диметром 260 мм SESAS W26FX 001 и
W26FX002 имеют фактор ускорения соответственно 180 и 236. НЧ
головки W22NY 001 и H1288 имеют фактор ускорения 440 и 334,
СЧ НЧ головка Н1215 – 480. Величина фактора ускорения сред
нечастотных головок диаметром 100 мм может лежать в пределах
от 800 до 1500.
Для ВЧ головок требуется фактор ускорения существенно выше.
Например, ВЧ головки Morel MDT30 и MDT 33 имеют фактор ус
корения соответственно 7950 и 14 300. Величину фактора ускоре
ния полезно учитывать при подборе комплекта динамиков для
громкоговорителя. В двухполосных системах СЧ НЧ головку при
ходится выбирать по совокупности параметров, при этом фактор
ускорения не является приоритетным параметром. При выборе СЧ
и ВЧ головок фактор ускорения играет более существенную роль.
С увеличением фактора ускорения возрастает детальность звуча
ния, в звуковой картине большого оркестра лучше дифференциру
ется отдельные инструменты.
Thiele Small parameters (T S) – параметры Тиле–Смолла. Груп
па параметров Тиле–Смолла обычно приводится в справочных дан
ных и для расчета акустического оформления НЧ и СЧ головок.
Free air resonance (Fs) – резонансная частота динамической го
ловки в свободном пространстве. Для НЧ головок Fs определяет
частоту среза в нижней части звукового диапазона, которая может
быть получена для данной головки в выбранном типе акустическо
го оформления.
Equvalent volume (Vas) – объем, эквивалентный гибкости под
веса. Физический смысл этого параметра легче понять, если пред
ставить себе поршень с площадью Sd, который может двигаться,
сжимая воздух в цилиндре. Под действием единичной силы сме
щение поршня будет зависеть от объема воздуха в цилиндре. С уве
личением объема воздуха в цилиндре смещение поршня под дей
ствием единичной силы будет возрастать. Если объем воздуха
подобрать так, чтобы смещение поршня от единичной силы было
бы равно смещению диффузора от этой же силы, то этот подобран
ный объем и есть Vas. Эквивалентный объем пропорционален пло
щади диффузора и гибкости подвеса. При прочих равных условиях
объем акустического оформления динамической головки типа «зак
рытый корпус» или фазоинвертор пропорционален Vas.
Mechanical Q factor (Qms) – механическая добротность. Qms ха
рактеризует потери энергии в динамической головке, как в меха
нической колебательной системе. Механические колебания на ре
зонансной частоте динамической головки связаны с переходом
кинетической энергии подвижной массы в потенциальную энер
гию деформированного подвеса и наоборот. Колебательный про
цесс сопровождается потерями энергии на трение в подвесе и ря
дом других потерь, в том числе и на излучение звука. Механическая
добротность есть отношение запасенной энергии (реактивной) к
энергии рассеянной (активной). Отношение берется за один пери
од колебаний. Для многих современных НЧ динамических голо
вок это отношение, т.е. Qms, лежит в пределах от 2 до 10. Доброт
ность, как отношение двух величин с одинаковой размерностью,
является безразмерной величиной.
Electrical Q factor (Qes) – электрическая добротность. Этот па
раметр характеризует потери энергии при колебательном процес
се, которые имеют место за счет протекания тока в цепи звуковой
катушки. При движении звуковой катушки в магнитном поле на ее
выводах возникает ЭДС. Если выводы разомкнуты, ЭДС не оказы
вает влияния на потери энергии в колебательном процессе. Ситуа
ция меняется, если выводы звуковой катушки замкнуты, в катуш
ке по воздействием ЭДС протекает ток. Ток, протекающий через
катушку, создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным
полем в зазоре.
Результатом взаимодействия является сила, тормозящая движе
ние звуковой катушки. Энергия, которая тратится на торможение
движения, в конечном счете рассеивается в виде выделения тепла от
протекания тока. Происходит нагрев звуковой катушки. Qes для ди
намических головок, пригодных для работы в закрытом акустичес
ком оформлении или в фазоинверторе, лежит в пределах 0,25–0,8.
По определению, Qes предполагает нулевое сопротивление в цепи
звуковой катушки. Включение активного сопротивления в цепь зву
ковой катушки приводит к увеличению Qes. Нагрев звуковой катушки
от мощности входного сигнала приводит к увеличению активного
сопротивления и, соответственно, к увеличению электрической доб
ротности головки.
Total Q factor (Qts) – добротность. Полная добротность характе
ризует суммарные потери в колебательной системе, вызванные как
механическими, так и электрическими процессами. Полная доб
ротность вычисляется по формуле:
.
Qms Qes
Qms Qes
Qts
+
=