Понятия. Вспомнить все-4. Что скрыто за картами

Какие карты имеются в виду — понятно, надеюсь. Те, что мы сдали сами себе в прошлом выпуске «В.В.», — три магические карты Тиля — Смолла. Так вроде теперь всё разъяснилось, что там может скрываться? Производители всего мира вняли мирной инициативе двух выдающихся акустиков, стали прикладывать к своим изделиям параметры, получившие имена этих же двух выдающихся (правда, иногда забывают), так что теперь берём готовые цифры и...

И что? Вот даже интересно, что? Можно так: подставляем в программу для расчёта сабвуферов, которых теперь хоть пруд пруди, а уж она нам всё расскажет — куда ставить да как сыграет. Но есть часть населения, которая иногда задаётся вопросом: «А как это сделано?» Ведь и параметры Тиля — Смолла не с неба свалились. Они собраны из других деталей, которыми раньше инженеры-акустики пользовались в исходном, разобранном состоянии. Если упомянутый чуть выше вопрос свойственен вашей натуре, продолжайте читать, попытаюсь пролить свет.

СБОРКА И РАЗБОРКА

Параметры бывают конструктивные и неконструктивные. Это не достоинство или недостаток, это — свойство. Для первых есть точный рецепт, как их добиться. Вторые получаются в результате совместной работы первых. Очень часто в технике оказывается, что конструктивные параметры абсолютно необходимы при изготовлении устройства, но страшно неудобны, когда надо оценить результаты работы готового продукта. Приведу пример.
На автомобильном заводе нет таких станков, на которых были бы рукоятки, например, «максимальная скорость». Или «время разгона до 100». Или «тормозной путь на сухом асфальте». У автомобилестроителей в ходу совсем иные показатели: диаметр того, сечение этого, масса третьего, упругость четвёртого, и так до бесконечности. Именно это содержится в чертежах, именно на это настраиваются станки. А теперь предположим, что вам предложили выбрать автомобиль по этим данным. Вот вам машина, диаметр цилиндра такой-то (даже с допуском плюс-минус сколько-то сотых миллиметра), вот гидравлическое сопротивление впускного коллектора, а вот — момент инерции коленчатого вала. Вам подходит? Нет, скажете вы, будьте любезны хотя бы максималку, от нуля до сотни и тормозной путь, чтобы хоть было с чем сравнить. Но получается, что цифры инженеров вам не очень нужны, а по вашим эти же инженеры не берутся сделать автомобиль. Вот и «у птичек точно так же».
Динамик по своей схеме — устройство предельно примитивное. По схеме, не по тонкостям взаимодействия с окружающей средой и тем более — с человеческим слухом. Это — всего лишь масса (диффузор), подвешенная на пружине (подвес), к массе прикреплён мотор, состоящий из катушки (звуковой) и постоянного магнита (магнит он и есть магнит). Всё остальное — подробности. Все параметры динамика, определяющие его работу на низких частотах, так или иначе сидят здесь, но расселись они не самым очевидным образом. И на заводе по производству динамиков тоже нет волшебных станков с рукоятками Fs, Vas и Qts, до этого наука не дошла. Зато там можно сделать диффузор с определёнными размерами и массой, детали подвеса с определённой упругостью, катушку с известным сопротивлением и магнит с определённой силой.
Пока Тиль и Смолл не опубликовали свою «энциклику», инженеры-акустики всего мира при расчётах акустических характеристик пользовались теми же параметрами динамиков, что и при их производстве. Или почти теми же, получившими название «электроакустические параметры», в отличие от именных, Тиля и Смола. Так делали многие годы, с номограммами и формулами, но было это почти так же муторно, как пытаться рассчитать время пути на дачу, имея полный комплект конструкторской документации на автомобиль, но не зная важнейших его ездовых характеристик.
Величие, не побоюсь этого слова, двух классиков заключалось в том, что они отважились предложить заменить параметры, прямо связанные с конструкцией динамика, на другие, связанные с ней довольно опосредованно и неочевидно.

РАЗБЕРЁМ

Разберём динамик на те немногие части, из которых он состоит и про которые, по отдельности, можно всё довольно легко узнать. Только разбирать надо в правильной последовательности, чтобы дров не наломать. Пока динамик ещё не раздербанили, узнаем гибкость подвеса. Это несложно: положить на диффузор груз и измерить, насколько он под весом этого груза просел. Потом поделить просадку на массу груза и получить то, что называется гибкостью подвеса (Cms, измеряется в миллиметрах на Ньютон). Теперь можно ломать. Отделяем диффузор вместе со звуковой катушкой, то есть то, что в не разломанном на части динамике колеблется, линейкой выясняем диаметр диффузора, калькулятором — площадь, весами — массу. У звуковой катушки мы измерим длину провода, потраченного на её намотку. А у освобождённого теперь магнита измерим индукцию в зазоре, есть такие приборы, называются теслометры, потому что результат выдают в единицах, названных по имени чудесного сербского физика Николы Теслы. Две последние величины, если их не мешкая перемножить друг на друга (по отдельности они малополезны), называются силовым фактором динамика, обозначается так же, как и вычисляется, BL, то есть индукция (мощность магнитного поля, грубо говоря) на длину провода, находящегося в этом поле. «Силовой фактор» потому так называется, что BL — это своего рода заготовка для определения силы, действующей на диффузор при подаче тока в катушку. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, в пределах гимназического курса, равна B x I x L, то есть достаточно силовой фактор помножить на ток, как фактор превращается в реальную силу. В числе базовых параметров Тиля — Смолла силового фактора нет, а величина эта — архиважная, в ней, действительно, вся сила динамика.
Зная всё это, попробуем без формул, на качественном уровне, попытаться понять, какими окажутся параметры динамика, те самые, «ездовые», необходимые нам для расчёта и моделирования его работы. И поймём, в каком трудном положении находятся разработчики акустики.

ПЕРВАЯ ПАРА

Первый и главный параметр динамика — резонансная частота Fs. Главный, потому что, очень сильно упрощая, можно сказать: динамик излучает только выше своей резонансной частоты. Упрощая чуть меньше, скажем так: ниже резонансной частоты интенсивность звукового излучения динамика быстро падает. Так вот: из всех параметров отдельных частей распатроненного динамика резонансная частота зависит только от двух: массы подвижной системы и гибкости подвеса. Ни до площади диффузора, ни до стати магнита ей и дела нет. Чем больше масса и чем мягче подвес (больше величина просадки при одном и том же усилии, приложенном к диффузору), тем резонансная частота ниже. А-а-тлично, говорим мы, вообразив себя (на время, потом сами не захотите) конструкторами динамика. Диффузор — ладно, он должен быть всё-таки достаточно прочным, значит, масса у него какая-то есть. Теперь сделаем мягкий-мягкий подвес (большую-большую величину Cms), и у нас будет резонансная частота, какую захотим, хоть 15 Гц, будет играть всё, и даже с запасом. Ну, оставим пока за скобками вопрос, всегда ли нужна такая низкая резонансная частота, вы и без этого уже попали. Потому что другой из судьбоносных параметров, эквивалентный объём Vas, тоже зависит только от двух конструктивных характеристик, но уже от иных.

ВТОРАЯ ПАРА

Эквивалентному объёму тоже нет дела до магнита, катушки и протекающего через неё тока, хоть вовсе их оторвать, как мы делали при разборке динамика. Vas зависит только и исключительно от площади диффузора (чем больше Sd, тем больше Vas) и гибкости подвеса (чем мягче подвес, то есть больше Cms, тем снова больше). Это — единственный параметр из тройки Тиля — Смолла, который при некотором навыке можно, пусть очень грубо, оценить голыми руками. Во всяком случае, в сравнении двух динамиков одинакового калибра. Нужны именно руки: эквивалентный объём будет меньше у того из двух, у кого сильнее сопротивляется диффузор при нажатии на него. Поскольку площадь диффузора одна и та же, а кроме неё и упругости подвеса, Vas не зависит ни от чего, что в нашей власти.
Масса, обратите внимание, здесь уже ни при чём. А теперь смотрите, что получилось. Гибкость совсем недавно вы сами выбрали очень высокую. Эквивалентный объём получился огромный, а он самым существенным образом определяет величину необходимого объёма акустического оформления любого типа. Что будем делать? Предприимчивый человек тут сообразит: раз Vas от массы не зависит, схитрим — сделаем диффузор потяжелее, а подвес — пожёстче, итог для резонансной частоты будет тот же самый, одно скомпенсирует другое. А эквивалентный объём уменьшится, он зависит только от гибкости. Могу вас обрадовать и огорчить одновременно. Огорчить — потому что вы не первый, кто до этого додумался. Перед вами в очереди за авторским вознаграждением стоят практически все производители автомобильной басовой акустики. А обрадовать — тем, что по находчивости вы им не уступаете. Получается, есть универсальное решение? Делаем дико тяжёлый диффузор, страшно жёсткий подвес, получаем (при той же Fs) ужасно маленький эквивалентный объём, и дело в шляпе. Но на деле всё будет как раз дико, страшно и ужасно.
Это можно было и предвидеть, при вашей-то сообразительности. Не бывает в реальном мире таких простых и, главное, бесплатных решений. Динамик-то должен играть, совершать некоторое полезное действие, а значит, у него должен быть пристойный коэффициент этого полезного действия, более привычно измеряемый в нашей дисциплине в форме чувствительности. Чувствительность, то есть звуковое давление, создаваемое динамиком при подаче одной и той же мощности (обычно 1 Вт) на одном и том же расстоянии от диффузора (обычно 1 м), зависит уже от трёх величин, снятых нами с деталей загубленного во имя просвещения динамика. От площади диффузора, от возможностей мотора и... от массы подвижной системы. Будем считать: диаметр мы выбрали и не меняем, хотя, вообще-то, чем он больше, тем больше будет чувствительность при прочих равных. И мотор, то есть магнитная система, и звуковая катушка у нас одни и те же. Тогда чем больше мы утяжелили диффузор, тем меньше будет чувствительность динамика. Получается, хитрость удалась лишь отчасти: выиграли объём — утеряли чувствительность.

Над практической басовой акустикой висит тяжкое проклятие, снять которое, главное, не удастся никогда и никакими заклинаниями, надо научиться с этим жить. Есть три характеристики басовой акустики, определяющие её достоинства. Опять три, так уж получается, и не только в акустике. Это:
- Глубина баса, то есть нижняя частотная граница
- Чувствительность, или к.п.д.
- Компактность оформления
Идеальной акустикой будет такая, которая будет давать МНОГО баса, НИЗКОГО баса и в МАЛЕНЬКОМ ящике. Ну чем не предел мечтаний? Задача физики, однако, обламывать крылья мечтам. Проклятие как раз в том, что ни одна из этих характеристик не может быть качественно улучшена без ухудшения одной или обеих остальных. Возьмём какую-нибудь акустику с определённым балансом достоинств и попробуем что-нибудь в ней улучшить. Например, резко повысить чувствительность, а остальное пусть останется таким же. Дудки — получится акустика профессионального назначения, для озвучивания залов. С рекордными значениями чутья, но без глубоких басов и/или требующая огромных корпусов. Вернём на место глубокий бас — и убедимся: чувствительность упала, объём по-прежнему требуется немалый. Пример — домашняя акустика: часто напольные и полочные колонки одной серии различаются, главным образом, нижней граничной частотой. Ну и объёмом, разумеется. Поборемся за компактность, не поступаясь глубокими басами, и чувствительность проваливается иногда самым катастрофическим образом. Это как раз наш случай, автомобильный. Наши сабвуферы от таких же по калибру, используемых в pro audio, по чувствительности отличаются иной раз на 10 — 12 дБ, а это означает, что для создания одного и того же звукового давления (при прочих равных условиях) на «не наш» динамик достаточно подать 1 Вт, а «нашему» надо 10. «Не нашему» 10 — «нашему» 100. «Не нашему» 100 — нашему кирдык.

НЕ ПАРА

Уже в этих четырёх соснах (растущих группами по две) разработчикам басовых головок приходится не первый год блуждать, бормоча про себя: «Ужесточим подвеску — резонанс вверх уплывёт, смягчим — объём потребуется большой, утяжелим диффузор — вернём резонанс и Vas, но в чутье потеряем, тогда облегчим диффузор — резонанс уплывёт...» И так до бесконечности. Единого решения нет, оттого и разными получаются сабвуферы. Но ведь это ещё полбеды. Мы ни словом пока не обмолвились про добротность, а это из трёх параметров Тиля — Смолла самый, пожалуй, капризный. На величину добротности готового динамика влияют все запчасти, на которые мы его совсем недавно разобрали, кроме корзины и клемм. Логика влияния такова (только логика, без формул): добротность есть отношение всего, что похоже на маятник, ко всему, что похоже на тормоз. Масса диффузора — это маятник, упругость подвеса — тоже. А мотор, как мы знаем, вблизи резонанса становится тормозом и занимает положенное ему место в знаменателе пропорции. Есть ещё фактор механической добротности, за которую ответственны потери в элементах подвеса, но в основном свою роль играет фактор электрического торможения, более поддающийся прогнозу.
Значит, чем больше масса подвижной системы, тем выше добротность, чем жёстче подвес — тем тоже выше, чем мощнее магнитная система — тем, наоборот, ниже. Здесь уже навскидку ничего оценить не удастся. Приходилось видеть головки с худосочным магнитом, имеющие такую же величину добротности, что и такие же по калибру, но с огромным магнитищем. Но достаточно было пошевелить «невооружённой рукой» диффузор одного и другого, как становилось ясно, в чём секрет: диффузор первого динамика чутко реагировал даже на слабое нажатие, а у второго стоял как вкопанный, пока на него не навалишься как следует. Значит, если частоты резонанса у обоих близки, можно с уверенностью заявить: одинаковые частотные характеристики у обоих можно получить в совершенно разных объёмах. У мягкого и с маленьким магнитом — в большом, у второго, у которого всё наоборот — в маленьком. Почти наверняка у второго будет ниже чувствительность, несмотря на могучий мотор, и совсем наверняка второй будет дороже первого.
Человек с практическим отношением к природе должен в какой-то момент сообразить: мощность привода ведь зависит не только от магнита, но и от того, сколько провода находится в зазоре. Магнит стоит денег, так давайте просто намотаем побольше витков, эффект такой же, ведь индукция и длина провода в выражении для силового фактора перемножаются. Попытка хорошая. Слишком хорошая, чтобы стать удачной с первого раза. Больше витков — это ведь значит более тонкий провод, у звуковой катушки возрастёт сопротивление, ток, проходящий через катушку уменьшится, ничего мы не добились. «Ну, тогда возьмём провод толще, а катушку намотаем в два-три-четыре слоя». Да хоть в пять, для более толстой намотки придётся делать больше ширину зазора в магнитной системе, а значит, при том же магните значение индукции в зазоре упадёт. Снова приплыли. Увеличим не число витков, а диаметр катушки (чтобы больше была длина каждого витка) — тот же результат: магнитное поле окажется «размазанным» по более протяжённому зазору и потеряет силу, выраженную в величине индукции. Ну как, нравится вам теперь профессия конструктора динамических головок?
Теперь вы знаете, как родились ставшие общепринятыми характеристики сабвуферов автомобильного назначения, путём жертв, лишений, вечных компромиссов и попаданий не на одно, так на другое. А как этими, выстраданными кем-то за нас (и для нас) характеристиками пользоваться — в следующий раз.

Источник: журнал Автозвук, 04/2005. Текст: Андрей Елютин