Тратить время на рассуждения о том, что такое и зачем нужно сабвуферу акустическое оформление, а соответственно и программное обеспечение для его расчета (см. "Мастер 12 Вольт" N 1/97, стр. 52, N 5/97, стр. 18, N 1/98, стр. 62), вероятно, необходимости нет. Приступим сразу и непосредственно к предмету рассмотрения - компьютерному программному обеспечению SPEAKERSHOP, подготовленному специалистами фирмы JBL для разработки и расчета параметров акустического оформления сабвуферов. Сразу оговоримся, что программа хорошо сработает применительно и к домашней акустике, но это не наш случай, и что она позволяет производить вычисления не только для динамиков JBL, а собственно для самых разных изделий - были бы известны значения необходимых характеристик.
JBL SPEAKERSHOP - софт, в некоторой степени известный российским мастерам-инсталляторам. Он различными путями попадал к ним, в том числе и через Интернет. В этом году у компании JBL по разделу car audio в России появился эксклюзивный дистрибьютор - фирма MMS. Теперь SPEAKERSHOP доступен всем желающим, причем клиенты MMS получают его оригинальную версию вместе с подробнейшим описанием на русском языке.
SPEAKERSHOP состоит из двух независимых и взаимодополняющих частей: Enclosure Module - для расчета акустического оформления и Crossover Module - для расчета параметров разделительных фильтров. Так и начнем по порядку.
Enclosure Module
Это программное обеспечение помогает определить объем и размеры корпуса и оценить качество звучания. Конструкция анализируется в два этапа. Прежде всего определяется, как она будет работать при нормальных уровнях прослушивания. Эта процедура называется анализом на малых сигналах и включает в себя расчет амплитудной (частотной) характеристики, характеристики сопротивления звуковой катушки, фазовой характеристики и групповой задержки. Во вторую очередь для конструкции моделируется режим максимальной громкости. Этот этап называется анализом на больших сигналах и включает в себя нормы термальной акустической мощности в диапазоне средних частот и характеристику максимальной мощности при различных отклонениях.
Два способа использования программы
Существуют два способа конструирования корпусов с помощью программы SPEAKERSHOP Enclosure Module. Один из них предусматривает конструирование корпуса для определенных выбранных динамиков. При этом варьируются характеристики корпуса. Другой способ заключается в поиске подходящих динамиков для существующего корпуса: вы подбираете модели динамиков. Метод конструирования может быть выбран с помощью команды Variable в меню Options.
Когда программа SPEAKERSHOP Enclosure Module запускается в первый раз, по умолчанию задается режим, в котором изменяемыми величинами являются характеристики акустического оформления.
Электронная
таблица содержит колонки для конструирования шести корпусов. Первые три
предназначены для расчета корпусов с фазоинвертором - для оптимальной,
пользовательской (т.е. проектируемой самим мастером) конструкций и для
корпусов, рассчитанных на определенную полосу частот. Следующая колонка
предназначена для пользовательской конструкции корпуса с пассивным
излучателем. Последние две колонки предназначены для оптимальной и
пользовательской конструкции для корпусов закрытого типа. Так как в
электронной таблице одновременно демонстрируются конструкции различного типа,
вы можете легко их сравнивать. Параметры динамика показаны в нижней левой
области электронной таблицы. График внизу одинаков для обоих методов.
Режим, когда изменяемой величиной является сам динамик, задается с помощью команды Variable-Loudspeaker в меню Options. Это на случай выбора подходящих динамиков для уже существующего корпуса. Режим очень удобен для расчетов звуковоспроизводящих систем автомобилей, когда необходимо подобрать динамик под строго заданный объем, так как позволяет быстро проверять работу нескольких различных акустических систем в конкретном корпусе или в определенном ограниченном пространстве.
В режиме Variable-Loudspeaker используется электронная таблица-меню другого вида. Вместо показа шести различных конструкций корпусов, как это делается в режиме Variable-Box, одновременно демонстрируются шесть различных динамиков. Таким образом дается возможность быстро сравнить до шести различных моделей.
Параметры динамиков
Если вы еще новичок в конструировании акустических корпусов или торопитесь и хотите ввести только минимальные параметры, необходимые для конструирования корпуса, выберите в меню Loudspeaker опцию Parameters-minimum. Появится окно, в котором вы сможете ввести минимальные параметры, включающие в себя название производителя (Manufacturer), название модели (Model), Fs, Vas и Qts. Номинальную эффективность или чувствительность необходимо вводить только при конструировании корпусов с фазоинвертором.
Для ввода полных параметров (механических, электрических, комбинированных) выберите соответствующую команду. Далее мы приводим краткую расшифровку обозначений параметров.
Механические параметры
Fs - Собственная резонансная частота динамика (Гц).
Qms - Добротность динамика на частоте Fs, когда в расчет принимаются его механические (не электромагнитные) потери или затухание.
Vas - Объем воздуха, имеющий упругость, эквивалентную упругости подвеса динамика (кубические футы или дюймы, а также литры).
Cms - Коэффициент механической податливости подвеса (дюймы на фунт или миллиметры на ньютон).
Mms - Механическая масса диффузора с учетом аэродинамической нагрузки (унции или граммы).
Rms - Механическое сопротивление в подвеске динамика (фунты в секунду или килограммы в секунду).
Xmas - Максимальная или пиковая линейная амплитуда колебаний звуковой катушки динамика (дюймы, сантиметры или миллиметры). Обычно определяется как расстояние, которое может пройти катушка в одном направлении при сохранении способности поддержания постоянного числа колебаний в зазоре магнита. Этот параметр определяет максимальную амплитуду колебаний, при которой не появляются искажения.
Sd - "Площадь поршня/диффузора" динамика (квадратные дюймы или квадратные сантиметры). Представляет собой значение площади подвижной части динамика.
Dia - "Диаметр поршня" (дюймы или сантиметры).
Комбинированные параметры
Qts - Добротность динамика для значения частоты Fs с учетом всех электромагнитных и механических потерь.
hо - Номинальная эффективность динамика при акустической нагрузке в половину объема (отражатель расположен с отдалением в бесконечность). Эффективность вводится в процентах.
SPL - Номинальная чувствительность динамика при акустической нагрузке в половину объема (отражатель расположен с отдалением в бесконечность). Вводится в децибелах. Чувствительность принимается, как измеренная по оси на расстоянии 1 метр при подаче на динамик электрической мощности 1 Вт. Так как многие производители проверяют свои динамики при фиксированном напряжении 2,83 В, вместо 1 Вт, в окне Full Loudspeaker Parameters имеется опция 2,83 V.
Электрические параметры
Qes - Q динамика для значения частоты Fs. Допускает только электромагнитные (не механические) потери или затухание колебаний.
Re - Сопротивление звуковой катушки по постоянному току (Ом).
Le - Индуктивность звуковой катушки (миллигенри).
Z - Номинальное электромагнитное сопротивление динамика (обычно 8 или 4 Ом).
BL - Мощность электропривода динамика (ньютон/ампер, метр/тесла, фунт/ампер или фут/тесла).
Pe - Термически ограниченная максимальная электрическая мощность (Вт), с которой может оперировать динамик. Обычно представляет максимальную электрическую мощность, еще не приводящую к перегоранию звуковой катушки.
База данных динамиков
В базе хранятся значения всех необходимых характеристик большого количества динамиков самых разных фирм-изготовителей. "Сектор обстрела" очень широк, достаточно перечислить в качестве иллюстрации несколько фирм из начала списка: A&S Speakers, Acoustic Research, AcousticPro - и из его окончания: Xtasy Audio, Yamaha, Zachry. Конечно же, если вы не обнаружили искомую модель, то ее можно вместе с характеристиками внести в базу, наращивая содержащуюся в ней информацию. Более того, если у вас есть возможность измерить амплитудно-частотные характеристики динамика в специальном тестовом корпусе-экране или получить эти данные от производителя, то предусмотрен вариант поточечного внесения экспериментальных значений. Понятное дело, добавление экспериментальных данных повысит точность результата расчетов.
Программа также позволяет проводить автоматический подбор моделей динамиков, удовлетворяющих наперед заданным условиям. Достаточно определить диапазон значений Fs и Qts - и программа моментально предложит ряд моделей, которые подойдут для выбранного акустического оформления.
Акустические корпуса и их параметры
1. Фазоинвертор
Целью оптимизации конструкции корпуса с фазоинвертором является выбор объема, обеспечивающего наиболее ровную и плавную амплитудную характеристику в области частот настройки порта фазоинвертора.
1) Система с большой бассовой отдачей и система с более "гладкой" басовой АЧХ; 2) Недостаточно задемпфированная система (объем короба мал) и передемпфированная система (объем короба велик) |
Преимуществами такой конструкции являются более широкая характеристика в диапазоне средних и низких частот, меньшие искажения за счет меньшей амплитуды диффузора, более высокая эффективность и меньшая общая стоимость.
Конструкция корпуса с фазоинвертором относительно чувствительна к изменению параметров динамика. В таком корпусе лучше работают динамики с достаточно низким Qts (от 0,2 до 0,5). Конструкции корпусов с фазоинвертором допускают значительно большую частоту резонанса (Fs), а также применение звуковых катушек с укороченным шагом намотки (низкое значение Xmax) и более жесткого подвеса (небольшое значение Vas), чем конструкции закрытых корпусов. Уменьшение корпуса с фазоинвертором потребует более низкого Qts и меньшего значения Vas.
2. Конструкция Band-Pass (корпус с фазоинвертором, рассчитанный на выделение определенной полосы частот)
Band-Pass - конструкция короба, позволяющая управлять амплитудной характеристикой как в области нижней, так и верхней частоты благодаря использованию корпуса с двойной камерой. Причем динамики находятся внутри корпуса. (При наличии более одного динамика могут использоваться корпуса с тремя камерами и т.д.)
Конструкция Band-Pass означает возможность применения динамиков, обладающих более высоким значением добротности (меньшими магнитами), чем динамики, используемые с другими конструкциями корпусов с фазоинвертором. Она дает более низкие искажения (отфильтровываются искажения высокого порядка), повышенную эффективность в рабочей полосе частот и практически не требует низкочастотного разделительного фильтра.
К недостаткам Band-Pass можно отнести резонанс "органной трубы" высокого порядка для порта, определяющего срез верхних значений частоты, а также сложность конструкции.
Конструкция Band-Pass очень чувствительна к значению добротности динамика. Конструкция 4-го порядка лучше всего работает с динамиками, имеющими Qts, близкий к 0,4, а конструкции 6-го порядка - с динамиками, у которых добротность близка к 0,5. В общем, чем выше Qts, тем уже полоса частот. Чем ниже Qts, тем она шире, но при этом также увеличивается и неравномерность характеристики в рабочей полосе частот. Коэффициенты Vas и Cms не оказывают большого влияния на конструкцию.
3. Акустическое оформление с пассивным радиатором (излучателем)
Пассивный излучатель (аналогичен обычному динамику, но без магнитной системы и звуковой катушки) действует как порт корпуса. По этой причине корпус с пассивным излучателем во многих случаях ведет себя подобно корпусу с фазоинвертором.
Преимущества конструкции корпуса с пассивным излучателем - те же, что и у корпуса с фазоинвертором, плюс возможность использования корпуса меньшего размера, в который, правда, не всегда удается вместить порт требуемой величины. При этом обеспечиваются минимизация повторного излучения внутренних шумов корпуса и понижение амплитуды диффузора динамика в области ниже резонанса системы. Последнее преимущество является результатом способности пассивного излучателя поддерживать нагрузку динамика на очень низких частотах.
К недостаткам конструкции корпуса с пассивным излучателем можно отнести, как и следовало предположить, недостатки корпуса с фазоинвертором плюс плохую переходную характеристику на резонансной частоте пассивного излучателя (Fp). Пассивному излучателю обычно требуется возможность больших линейных перемещений диффузора по сравнению с низкочастотным динамиком. Сложность конструкции - конечно, тоже недостаток.
4. Закрытый короб
Преимуществами конструкции закрытого корпуса являются его простота и обычно небольшой размер. Отклонения характеристик динамиков зачастую меньше влияют на качество звука. Более пологая амплитудная характеристика и возможность использования с высокомощными усилителями (т.к. динамики не разгружаются на низких частотах, как это происходит при работе с фазоинверторными корпусами) - тоже плюс.
Недостатки конструкции закрытого корпуса - меньшая эффективность, чем при использовании корпуса с фазоинвертором. Обычно в закрытом оформлении хорошо себя показывают динамики с добротностью более 0,3, низким значением Fs и высокими значениями Xmax и Vas. Уменьшение объема короба потребует более низких значений добротности Qts и Vas.
Недостаточно задемпфированная система (объем короба мал) и передемпфированная система (объем короба велик) |
Ниже приведены параметры акустических коробов, используемые при расчетах.
Vb - Внутренний объем короба.
F3 - Номинальная частота (Гц) при половинной мощности -3 дБ. Представляет собой точку, расположенную на 3 дБ ниже излома амплитудной характеристики, в которой начинается спад частотной характеристики в области низких частот.
Fb - Резонансная частота для корпуса с фазоинвертором (Гц).
QL - Значение добротности для корпуса складывается из всех потерь. Корпуса с объемом менее 11 кубических футов (311 литров) обычно имеют значение QL, близкое к 7. У корпусов большего объема QL приблизительно равно 5.
Vap - Объем воздуха, имеющий упругость, эквивалентную упругости подвеса пассивного излучателя (кубические футы или дюймы, а также литры).
Fp - Собственная резонансная частота пассивного излучателя (Гц).
Qtc - Значение добротности для корпуса закрытого типа.
Dv - Диаметр или площадь поперечного сечения порта или воздуховода в корпусе с фазоинвертором.
Lv - Длина порта или воздуховода в корпусе с фазоинвертором.
Получаемые "на выходе" графики
В
данной программе вы можете получить доступ к шести графикам различных
характеристик. Это графики: нормализованной амплитудно-частотной
характеристики (часто называемой частотной или амплитудной характеристикой),
амплитудной характеристики при подаче на вход сигнала 2,83 В, максимальной
звуковой мощности, характеристики сопротивления звуковой катушки, фазовой и
групповой задержек.
Особое замечание
Характерный "горб", обусловленный передаточной функцией салона |
Данное замечание касается передаточной функции салона автомобиля. Особенность заключается в том, что рассчитанные амплитудно-частотные характеристики системы, отображаемые полученными графиками, самым серьезным образом зависят от конкретного автомобиля (величины, конструкции и т.д), в который будет помещена вся басовая акустическая система. Приведенный график демонстрирует, что салон автомобиля ведет к значительным изменениям АЧХ с выбросом "горба" на частотах в диапазоне 30-50 Гц. Вопрос о передаточной функции салона был рассмотрен в "Мастер 12 Вольт" N 1/98, а экспериментальные результаты измерений приведены в следующей статье в этом же номере журнала.
В большинстве расчетных программ передаточная функция принимается некоей универсально-усредненной, и SPEAKERSHOP в этом отношении не исключение. Хотя и предусмотрен поточечный ввод передаточной функции, измеренной экспериментально. Вариант использования экспериментальных данных может существенно поднять точность расчетов. Ну а если таких данных нет, то в вопросе о том, что же будет с амплитудно-частотными характеристиками баса в различных моделях автомобилей, на первое место выходят Их Величества Опыт и Наитие мастера-установщика.
Crossover Module
Данное программное обеспечение позволяет производить расчет двух- и трехполосных пассивных кроссоверных систем от первого (6 дБ/окт) до четвертого (24 дБ/окт) порядка и целого ряда типов фильтров: Bessel, Butterworth, Chebychev, Gaussian, Legendre, Linear-Phase и Linkwitz-Riley.
В результате расчетов на экране монитора появится электрическая схема выбранной пользователем кроссоверной системы с указанием точных характеристик ее элементов.
