К вопросу о измерении параметров Тиля-Смола
Смотреть статью в формате PDF
Р. Узяков, г. Оренбург; А. Евтеев, г. Прага, Чехия
Вопрос измерения параметров Тиля-Смола столь не однозначен, поэтому некоторые молодые авторы в своих публикациях в Интернете вообще предлагают отказаться от этих измерений. Кроме того, имется огромное число публикаций с рекомендациями как сделать это просто. Всё это, а также личный опыт получения по разным методикам различающихся параметров Тиля-Смола одной и той же динамической головки побудили нас разобраться в данном вопросе, что оказалось не так и просто.
Thiele/Small параметры (обычно сокращенно T/S параметры, или TSP) представляют собой набор электромеханических параметров, которые определяют заданные низкочастотные характеристики драйвера громкоговорителя [1].
Измерение параметров Тиля-Смола даже новой динамической головки с паспортными данными имеет важное значение, так как типичный заводской допуск на значение резонансной частоты Fs составляет ±15%, а на эквивалентный объем Vas и гибкость подвижной системы динамика Cms составляет ±20…30%.
Существуют различные методы измерения, но не все они одинаково хороши. Из-за нелинейности динамической головки для неё не существует единого окончательного набора параметров. Некоторые параметры являются функцией отклонения диффузора/звуковой катушки, следовательно, они зависят от входного напряжения/тока (привода). Фактические значения этих параметров различаются у всех драйверов, в зависимости от от уровня привода, температуры звуковой катушки, срока его службы и т. д. [2].
В качестве примера Fs и Vas могут значительно варьироваться в зависимости от уровня сигнала из-за нелинейных изменений Cms. У типичного полнодиапазонного драйвера диаметром 110 мм при напряжении сигнала 0,5 В Fs = 95 Гц, а при сигнале 5 В Fs = 64 Гц. Драйвер с измеренным Vas = 7 л при напряжении сигнала 0,5 В может показать увеличение Vas до 13 л при уровне сигнала 4 В. Механическая добротность динамика Qms обычно стабильна в пределах нескольких процентов, независимо от уровня сигнала. Электрическая добротностьдинамика Qes и полная добротность динамика Qts уменьшаются на 13% при повышении напряжения с 0,5 В до 4 В из-за изменений коэффициента электромеханической связи Bl. Вычисленное значение чувствительности может упасть более чем на 30% при таком изменении уровня напряжения. Конечно, фактическая чувствительность драйвера вообще не изменилась, но расчетная чувствительность верна только при некоторых определенных условиях [1].
Поэтому значения параметров Тиля-Смола громкоговорителя полученые разными способами, сильно различаются. Следует понимать что измерение параметров динамических головок, различающихся по мощности на порядки, при одних и тех же режимах не соответствует основному критерию – здравому смыслу.
Так как параметры Тиля-Смола – параметры малого сигнала, то сначала надо разобраться, что такое малый сигнал. Речь идет о малых входных уровнях, для которых механическое поведение драйвера эффективно линейно (т.е. пропорционально его входному сигналу).
Фирма SB ACOUSTICS в технической записке «Измерение параметров Тиля-Смола» рекомендует: «Для типичного среднечастотного динамика напряжение должно составлять около 1 В (среднеквадратичное значение) на резонансной частоте» [2].
А фирма Elliott Sound Products в статье «Измерение параметров громкоговорителя» пишет: «Возможно, вам придется попробовать разные напряжения, в зависимости от точности ваших показаний (или расчетов). Не поддавайтесь искушению использовать напряжение выше среднеквадратичного значения примерно 1 В, так как громкоговоритель может выходить за пределы своего линейного диапазона, что снижает достоверность измерений» [3].
Конкретного уровня сигнала подаваемого на динамическую головку, при измерении параметров Тиля-Смола никто не дает, и предпочтение отдается измерениям, которые могут представлять типичные условия эксплуатации. К сожалению, этот уровень должен быть произвольным, поскольку условия работы постоянно меняются при воспроизведении музыки [1].
С целью некоторой стандартизации любительских измерений, нами были проведены измерения парметров нескольких динамических головок при разных уровнях сигнала. На рис. 1 показаны графики импеданса низкочастотной динамической головки Visaton WS 17 E/4 при напряжениях на его клеммах 0,09 В (красный), 0,35 В (зелёный) и 1 В (синий).
Паспортные характеристики динамика Visaton WS 17 E/4:
— номинальная мощность 60 Вт;
— номинальное сопротивление 4 Ом;
— полная добротность 0,65;
— резонансная частота 45 Гц;
— полоса пропускания fu–7000 Гц.
Рис. 1 Графики импеданса динамика Visaton WS 17 E/4.
красный Uизм = 0,09 В, зеленый — Uизм = 0,35 В, синий — Uизм = 1,0 В
Измерения проводились с помощью программы REW при уровне сигнала -12dBFS (уровень относительно максимального сигнала), внешней звуковой карты Behringer U-Phoria UM2 и УМЗЧ на микросхеме TDA7294. Измерительный резистор Rизм = 40,6 Ом мощностью 4 Вт. Напряжения измерялись цифровым мультиметром Mastech MY-65. По каждой из кривых определена часть параметров Тиля-Смола, а также имзмерено напряжение на клеммах головки на резонансной частоте. Результаты представлены в таблице.
Таблица 1
Данные представленные на рисунке 1 и в таблице демонстрируют значительное влияние уровня сигнала на результаты измерения параметров Тиля-Смола.
С учетом проведенных измерений и рекомендаций – не превышать на клеммах динамической головки при Fs напряжение 1 В, нами предлагается считать, что драйвер линеен при подводе к нему мощности в 0,05 % от его номинальной мощности. При данном уровне, на клеммах громкоговорителя на резонансной частоте напряжение будет в пределах 0,6…1,2 В. Тогда на клеммах динамической головки, вне зависимости от сопротивления измерительного резистора Rизм включённого последовательно с драйвером, должно быть напряжение
Напряжение Uизм выставляют на постоянном сопротивлении равном Rном включенном вместо громкоговорителя в измерительную цепь.
Например:
— для Р = 10 Вт и R = 4 Ом получаем U ≈ 0,14 В и I ≈ 35 мА;
— для Р = 60 Вт и R = 4 Ом получаем U ≈ 0,35 В и I ≈ 87 мА;
— для Р = 100 Вт и R = 4 Ом получаем U = 0,45 В и I = 112 мА;
Такие уровни можно реализовать только в установке измерения импеданса содержащей усилитель.
В различных источниках рекомендуют номиналы измерительных резисторов Rизм : 10 Ом, 33 Ом, 100 Ом, 150 Ом, 500 Ом и 1000 Ом. Следует отметить, что мощность рассеивания этого резистора должна быть больше выделяемой на нем мощности:
Например:
— при I = 0,05 А и R = 100 Ом получаем P = 0,25 Вт.
— при I = 0,05 А и R = 1000 ом получаем P = 2,5 Вт.
Это следует учитывать при выборе измерительного резистора, так как при нагреве, в процессе измерения, величина сопротивления меняется, и соответственно изменяются получаемые результаты. При необходимости можно использовать два двухваттных резистора соединённых последовательно или параллельно. При больших значениях тока следует использовать измерительные резисторы меньшего номинала.
Еще одно важное замечание — это условия, при которых проводятся измерения. Существует ошибочное, по мнению авторов, мнение, основанное на публикации [4] и некоторых других, рекомендующее динамическую головку подвешивать. Результаты наших измерений при таком способе крепления громкоговорителя показали недопустимое расхождение полученных параметров с паспортными данными.
Крайне важно, чтобы громкоговоритель был надежно закреплен во время проведения измерений, например в тисках, при этом, если крепление осуществляется за магнит, между ним и губками тисков необходимо установить немагнитные прокладки, например деревянные, толщиной не менее толщины магнита рис. 2.
Рис. 2 Крепление динамика в тисках.
При испытаниях, не связанных с измерениями звуковых полей, головку располагают на расстоянии не менее 1 м от ближайшей отражающей поверхности [5, пункт 4.3.3]. Наконец, динамическая головка должна располагаться как в акустической системе (центральная ось горизонтально), чтобы сила тяжести не смещала подвижную систему из нейтрального положения. Кроме этого перед измерением параметров Тиля-Смола подвижную систему необходимо обязательно «размять». В инструкции для программы REW дается следующая рекомендация: «Некоторое предварительное кондиционирование устройства с помощью сигналов среднего уровня помогает стабилизировать поведение и податливость подвески и уменьшить эффект памяти в подвеске от периодов хранения или отсутствия использования» [6].
А фирма SB Acoustics рекомендует: «Чтобы обкатать привод, вам понадобится генератор синусоидального сигнала или шума с регулируемым выходным напряжением (рекомендуется первое) и усилитель мощности. Используя генератор синусоидального сигнала, установите частоту ниже ожидаемой резонансной частоты приводного устройства (обычно около 80% от этого значения). Медленно увеличивайте напряжение до тех пор, пока подвеска не достигнет максимального смещения. Держите его ниже уровня обрезки. Это должно продолжаться около десяти минут».
Мы рекомендуем более простой метод обкатки громкоговорителя. Динамическую головку подключают на 2…6 часов к вторичной обмотке сетевого понижающего трансформатора с напряжением, обеспечивающим мощность на динамической головке 0,5…0,2 от номинальной. При этом уровень звука частотой 50 Гц от свободной динамической головки, установленного магнитом на поролон, будет незначительным.
При использовании компьютерных программ, например REW, крайне важно внимательно перечитать инструкцию и следует обязательно соблюдать всю технологическую последовательность и рекомендованные в инструкции режимы [6].
Перед измерением параметров Тиля-Смола в программах типа REW, каждого нового типоразмера динамической головки следует заново выставить уровень напряжения на резисторе Rном, включенном вместо громкоговорителя в измерительную цепь. Регулировать напряжение необходимо с помощью регулятора звуковой карты или УМЗЧ при подаче с генератора программы сигнала частотой 100 Гц. Напряжение измеряют с помощью цифрового мультиметра, большинство из них точно измеряют переменное напряжение на этой частоте. Уменьшение напряжения можно получить также уменьшением уровня (Level), но не более чем до -20 dBFS, так как при этом заметно увеличиваются шумы. После чего следует заново произвести калибровку измерительной установки.
Если полученные в результате измерений параметры Тиля-Смола попадают в указанные выше интервалы паспортных значений, можно считать их верными, если нет, то следует всё перепроверить и повторить измерения.
Желающим повысить свои теоретические знания в данном вопросе рекомендуем ознакомиться еще и со статьей «Метод измерения с добавленной массой для оценки параметров преобразователя» [7].
Список использованных источников:
1. Thiele/Small parameters. From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small_parameters
2. Technical note. Measuring Thiele/Small parameters. SB ACOUSTICS. https://sbacoustics.com/wp-content/uploads/2021/01/Measuring-Thiele-Small-parameters.pdf
3. Measuring Loudspeaker Parameters. 2000 — Rod Elliott, Updated June 2018. Elliott Sound Products.
https://sound-au.com/tsp.htm
4. Виноградова Э. Л. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. – М.: Энергия, 1978. – 48 с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 966)
5. ГОСТ Р 53575-2009 (МЭК 60268-5:2003) Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний.
6. REW V5.20 Help. Copyright © 2005-2021 John Mulcahy All Rights Reserved.
http://www.roomeqwizard.com/REWhelp.pdf
7. An Added-Mass Measurement Technique for Transducer Parameter Estimation. Jeff Candy and Claus Futtrup, JAES Volume 65 Issue 12 pp. 1005-1016; декабрь 2017 года.
https://pietra-audio.com/images/jaes_preprint_deltamass.pdf