8. Измерение параметров
Импеданс ЗК
Функция импеданса ЗК АС с ПИ задается уравнением (26). Стационарная величина |Z
VC(jω)| этой функции имеет форму, изображенную на рис. 17.
Рис. 17. Модуль импеданса ЗК динамика в АС с ПИ как функция частоты.
Эта форма точно такая же, как и для АС с ФИ [5, рис. 20]. График имеет два максимума на частотах, обозначенных
fL и
fH. Между этими максимумами находится минимум на частоте возле
fB, который обозначен
fM. На частоте
fM минимальное сопротивление немного больше, чем
RE; дополнительное сопротивление обусловлено потерями в ящике и в ПИ и обозначено
RBM.
Измерение параметров на малом сигнале
Измеренная кривая импеданса АС с ПИ точно соответствует форме на рис. 17. Максимум импеданса на частоте
fL обычно ниже, чем на частоте
fH из-за потерь в ПИ. Как и в случае АС с ФИ, основные параметры системы могут быть оценены с удовлетворительной точностью, игнорируя потери в ящике и в ПИ при первоначальных расчетах, а затем рассчитывая потери системы, используя приближенные данные системы. Игнорируя потери в ящике и в ПИ и предполагая, что
fM ≈ fB, можно использовать уравнение (26) для вывода следующих соотношений параметров, опираясь на график импеданса:
Эти соотношения не дают немедленного решения для каких-либо параметров системы с ПИ, как это делают их аналоги для системы с ФИ [5, уравнения (44) и (45)]. Это связано с тем, что из кривой импеданса доступно только такое же количество информации, в то время как система имеет дополнительный параметр
δ, который необходимо определить. Однако, относительно легко определить параметр
α. Если есть возможность удалить ПИ из корпуса, его можно временно заменить портом ФИ. Тогда
fSB и
α можно рассчитать как для АС с ФИ из [5, уравнения (44) и (45)]. Диафрагму ПИ также можно заблокировать и оценить
α как для системы с ЗЯ из [8, уравнение (48)]. В качестве альтернативы, частоту резонанса динамика
fS можно измерить и уточнить в соответствии с присоединённой массой воздуха; затем, используя данные графика импеданса АС с ПИ,
где уравнение (45) выводится непосредственно из уравнений (43) и (44).
Если
α и
fSB определены,
δ можно найти как из уравнения (43), так и из уравнения (44). Полезная проверка ошибок измерений, расчета, аппроксимации — это вычисление
δ из обоих уравнений и сравнение полученных значений. Используя измеренные или полученные значения
δ и
fB,
fР может быть рассчитана по уравнению (21).
Остальные параметры системы измеряются способом, описанным в [4, Приложение] и в [5, разд. 6]. Значение
QВ, рассчитанное по [5, уравнение (49)] включает в себя влияние потерь ПИ; если принять, что значение
QL на 30–40% больше, то получим весьма удовлетворительное описание характеристик системы для целей оценки.
Источники литературы
[1] H. F. Olson, "Loud Speaker and Method of Propagating Sound," U.S. Patent No. 1,988,250, application Feb. 17,1934; patented Jan. 15, 1935.
[2] H. F. Olson, J. Preston, and E. G. May, "Recent Developments in Direct-Radiator High-Fidelity Loudspeakers,"
J. Audio Eng. Soc., vol. 2, pp. 219-227 (Oct. 1954).
[3] H. F. Olson,
Acoustical Engineering (Van Nostrand, Princeton, N. J., 1957) pp. 161-162.
[4] R. H. Small, "Direct-Radiator Loudspeaker System Analysis,"
IEEE Trans. Audio Electroacoust., vol. AU-19, pp. 269-281 (Dec. 1971); republished in
J. Audio Eng. Soc., vol. 20, pp.383-395 (June 1972).
[5] R. H. Small, "Vented-Box Loudspeaker Systems,"
J. Audio Eng. Soc., yol. 21, pp. 363-372, 438-444, 549- 554, 635-639 (1973).
[6] F. Langford-Smith,
Radiotron Designer's Handbook 4th ed. (Wireless Press, Sydney, 7953).
[7] L. Weinberg,
Network Analysis and Synthesis (McGraw-Hill, New York, 1962), ch. 11.
[8] R. H. Small, "Closed-Box Loudspeaker Systems,"
J. Audio Eng. Soc., vol. 20, pp. 798-808 (Dec. 1972); vol. 21, pp. 11-18 (Jan./Feb. 1973).
[9] Y. Nomura and Z. Kitamura, "An Analysis of Design Conditions for a Phase-Inverter Speakerr System with a Drone Cone,"
IEEE Trans. Audio Electroacoust, vol. AU-21, pp. 397-407 (Oct. 1973).
Часть II: синтез
Эссенция: АС с ПИ могут быть спроектированы в соответствии со спецификациями так же легко, как и АС с ФИ. Требования к динамику, как правило, примерно такие же, как и для сопоставимых систем с ФИ, а требования к ПИ напрямую связаны с требованиями к динамику. Принцип ПИ особенно полезен в компактных системах, где реализация ФИ затруднена или невозможна, но он также может быть удовлетворительно применен в более крупных системах.
Введение
Анализ, представленный в Части I, показывает, что АС с ПИ является очень близким родственником АС с ФИ. Основное различие в характеристиках заключается в наличии провала в АЧХ ниже частоты среза. Хотя этот провал может заметно ухудшить характеристики, он может быть смещен настолько низко по частоте за счет обеспечения высокой гибкости подвеса ПИ, что характеристики АС с ПИ практически неотличимы от характеристик АС с ФИ по большинству основных параметров.
Однако АС с ПИ имеет явное преимущество в том, что она физически реализуема во многих случаях, где АС с ФИ не реализуема. Это особенно верно для очень компактных конструкций, которые должны иметь низкую частоту среза. К счастью, именно это требование проще всего реализовать при частоте провала значительно ниже частоты среза. В этом отношении АС с ПИ может рассматриваться как наиболее естественное и логичное расширение АС с ФИ [10].
9. Обсуждение
Сравнение АС с ПИ и АС с ФИ
Многие из основных различий между АС с ФИ и АС с ПИ уже были представлены в Части I. Однако некоторые из конкретных сходств и различий заслуживают дальнейшего описания.
Требования к динамику
Для заданных характеристик объёма ящика, АЧХ и мощности требуемые параметры динамика практически одинаковы как для АС с ФИ, так и для АС с ПИ. Иными словами, конкретный динамик будет демонстрировать практически одинаковую производительность в данном ящике, независимо от того, будет ли это АО с ФИ или АО с ПИ, при условии, что коэффициент гибкости ПИ
δ высок, потери ПИ не чрезмерно велики, и ящик в каждом случае настроен на правильную частоту.
Сложность конструкции
Дополнительная сложность конструкции ПИ полностью связана с гибкостью ПИ. К счастью, эта гибкость не является критической в том смысле, что ее всегда необходимо регулировать до точного значения. Общие требования легко суммируются: обеспечить требуемое смещение и максимальную гибкость (по крайней мере, равную гибкости динамика) с минимальными потерями. Если эти требования соблюдаются, конструкция системы с ПИ не сложнее, чем таковая с ФИ. Единственное практическое отличие заключается в том, что требуемое значение
fB достигается путем регулировки массы диафрагмы ПИ вместо акустической массы ФИ.
Малосигнальные характеристики
Рис. 13 (повтор из Части I) показывает, что две системы имеют сопоставимые пределы малосигнальных характеристик при больших значениях
δ.
Рис. 13. Коэффициент эффективности
kη(G) АС с ПИ для
δ=α (сплошные линии) и систем с ФИ (пунктирные линии) с корпусами без потерь и с
QB=QL=7
Однако при малых значениях
δ АС с ПИ имеют значительно более низкие значения
kη(G), чем их аналоги с ФИ. Именно поэтому гибкость подвеса ПИ всегда должна быть максимально высокой. Для диапазона реализаций, близких к
α=3 и выше, рис. 13 показывает, что АС с ПИ без потерь имеет значение
kη(G) немного больше, чем для АС с ФИ без потерь. На рис. 18 сравниваются характеристики для
α=3; параметры динамика практически идентичны для обеих систем. Значение
f3 для АС с ПИ действительно примерно на 1% ниже, в то время как скат АЧХ заметно круче.
Рис. 18. АЧХ АС с ФИ и АС с ПИ без потерь для условий
δ=α;
α=3 (симулятор).
Для систем с реальными потерями АС с ПИ оказывается в невыгодном положении по сравнению с АС с ФИ, хотя разница очень мала, когда
δ велико. На рис. 19 показаны АЧХ, измеренные методом [11] для лабораторного динамика и испытательного ящика, сначала с портом ФИ, а затем с ПИ.
Рис. 19. АЧХ экспериментальной АС со сменными ФИ и ПИ. Параметры с ФИ:
α=1,0,
h=1,1,
QТ=0,37,
QВ=9; коэффициент гибкости ПИ
δ=1,0.
Коэффициенты гибкости (
δ и
α), приблизительно равные единице для этой конкретной системы, теоретически должны благоприятствовать использованию ФИ. Недостаток низкой гибкости ПИ очевиден: более высокая частота среза и более крутой скат АЧХ у АС с ПИ.
Подчеркиваю, что условие
δ=α, хотя и распространено на практике, используется в данной статье только с целью удобства для упрощения широкого спектра возможных реализаций. Для достижения наилучших результатов настойчиво рекомендуется использовать максимально возможное значение гибкости ПИ.
Характеристики при больших сигналах
При достаточном объемном смещении ПИ, вероятно, будут существовать лишь небольшие различия в максимальной мощности двух систем. Они будут зависеть от спектральной плотности входного сигнала и точности настройки двух систем.
Распространенные представления о ПИ
Два особых преимущества, которые широко приписываются АС с ПИ, как в популярных журнальных статьях, так и в рекламе, заслуживают отдельного комментария в свете предыдущего анализа и обсуждения.
Первое заявленное преимущество заключается в том, что равномерная скорость частиц воздуха в области ПИ является преимуществом по сравнению с относительно неравномерными амплитудными и фазовыми условиями, существующими над отверстиями порта ФИ.
Это наблюдение впервые появилось в [2, стр. 225] в поддержку утверждения о том, что неравномерная скорость частиц в порте ФИ приводит к потерям, которые устраняются при использовании ПИ. Это, конечно, номинально верно, но если порт ФИ правильно спроектирован и ничем не перекрыт, то количество энергии, рассеиваемой в результате неравномерности скорости воздуха, относительно малО по сравнению с другими потерями в ящике [5, раздел 3] и легко может быть превышено энергией, рассеиваемой в подвесе типичных современных ПИ.
Другие авторы иногда неверно истолковывали текст [2] и утверждали или предполагали, что неравномерная скорость частиц в порте ФИ говорит о том, что по своей природе работа ФИ неэффективна или даже нелинейна. Но из [4] следует, что относительные амплитуды и фазы отдельных частиц не важны. Именно их общий (интегральный) эффект, т. е. суммарная (фазорная сумма) объемная скорость, пересекающая границы АО, определяет выходной отклик системы. До тех пор, пока средняя скорость частиц в порте ФИ остается в пределах, оговоренных в [5, раздел 8], всё движение воздуха может оставаться в значительной степени линейным, и потерь эффективности или существенных нелинейных искажений не произойдёт.
Второе заявленное преимущество АС с ПИ (особенно популярное среди создателей рекламы) заключается в том, что использование ПИ «удваивает площадь излучения на НЧ». Естественно, подразумевается, что это каким-то образом улучшает характеристики. АС с ПИ действительно обладает теми же преимуществами по сравнению с системой с одной диафрагмой в ЗЯ, что и АС с ФИ [5, Часть II]. Однако эти преимущества зависят просто от наличия второго излучателя, а не от его площади. ПИ помогает динамику лишь в той же степени, что и ФИ. Фактически, в частотном диапазоне около
fB, где ПИ (или ФИ) наиболее эффективно работает с точки зрения выходной мощности системы, он делает это за счет уменьшения и подмены, а не дополнения (как часто подразумевается) движения диафрагмы динамика.
Дополнительные особенности ПИ
Из приведенного выше обсуждения может показаться, что нет никаких преимуществ в использовании ПИ в более крупных системах, для которых можно реализовать удовлетворительный порт ФИ. Безусловно, ПИ влечёт за собой умеренные дополнительные затраты. Измерения, проведенные на системах этого типа с использованием сменных портов ФИ и ПИ, неизменно показывают, что ПИ имеет бОльшие потери и дает несколько более высокое значение
f3 по сравнению с ФИ. Но есть как минимум две особенности ПИ, которые не фигурируют в базовом анализе системы, и на которые стоит обратить внимание.
Во-первых, ПИ полностью свободен от шумов турбулентности и оргАнных резонансов, которые часто генерируются портом ФИ, работающим при высокой объемной скорости. До тех пор, пока ПИ спроектирован таким образом, чтобы выдерживать большие линейные объемные смещения, общее паразитное излучение самого ПИ может быть меньше.
Во-вторых, ПИ действует как физический барьер для распространения звука на высоких частотах изнутри корпуса. Часть искажений звука, возникающих в результате связи внутренних стоячих волн ящика с помещением посредством естественного распространения через воздух через порт ФИ, таким образом, существенно уменьшается или устраняется при использовании ПИ.
Эти две особенности АС с ПИ, возможно, носят второстепенный характер, но могут быть важны в определенных областях применения.
Типичные характеристики АС с ПИ
В 1969 и 1970 годах была проведена проверка образцов коммерчески выпускаемых АС с ПИ путем измерения основных параметров систем и получения АЧХ систем с помощью аналогового симулятора, настроенного на воспроизведение параметров систем. В то время удалось получить только пять таких систем, объем корпуса которых варьировался от 12 до 56 дм³. Они были произведены одним производителем в США и одним в Великобритании. Три системы использовали 8” (20-см) динамики и ПИ, одна — 10” (25-см), а последняя — 12” (30-см).
Четыре системы имели частоты среза
f3 ниже 50 Гц (самая низкая — 39 Гц) и пики АЧХ менее 1дБ. Пятая (и самая маленькая) система имела частоту среза 60 Гц и пик АЧХ 3дБ; такие характеристики были ожидаемы, поскольку объем корпуса составлял всего 12 дм³, а динамик и ПИ были идентичны тем, которые использовались в одной из более крупных систем, для которой они подходили лучше.
Все системы имели значения
α и
δ равные или превышающие 3, и в большинстве случаев они были равны. Три системы имели измеренные значения добротности
QВ, равные 5; остальные имели значения 4 и 6. Опорные КПД всех систем находились в диапазоне от 0,4 до 0,6%.
Все протестированные системы были изготовлены чрезвычайно качественно и, по-видимому, являлись результатом очень тщательных проверок, как и следовало ожидать от этих конкретных производителей. По-видимому, отсутствие общедоступной проектной информации для АС с ПИ ограничило их применение только наиболее компетентными производителями, которые обладают навыками и возможностями для проведения тщательного проектирования и проверки результатов.
10. Синтез систем
Взаимоотношения компонентов системы
Проектирование АС с ПИ в точности аналогично проектированию АС с ФИ [5, раздел 10]. Основные данные реализаций (для малых сигналов) получены из рис. 11 (повторяется из части I) для подавляющего большинства систем, имеющих
δ=α и типичное (эффективное) значение
QВ равное 7. Диаграмма реализаций для АС с ФИ с
QВ=7 [5, рис. 11] также действительна для АС с ПИ с безконечным D и воспроизведена здесь как рис. 20.
Рис. 11. Диаграмма реализаций для АС с ПИ при условиях
QB=QL=7 и
δ=α
Рис. 20. Диаграмма реализаций для АС с ФИ и
QB=QL=7. Также применима для АС с ПИ и безконечным
δ (
y = 0).
Эта диаграмма может использоваться совместно с рис. 11 для интерполяции реализаций для систем со значениями
δ больше
α. Сравнение двух рисунков показывает, что существует небольшая разница в
QT или
f3/fS для больших значений
α; только
h заметно меняется в зависимости от
δ, но не очень сильно.
Для необычных условий проектирования, когда
QB достаточно высокое или низкое, но при условии, что
α велико и
δ равно или больше
α, любая из диаграмм реализаций из [5] может быть использована вместо показанной на рис. 11. Именно редкость условия экстремальных потерь, полезность этих двух диаграмм и относительная неважность фактического значения
δ (пока оно велико) делают ненужным представление здесь каких-либо диаграмм, кроме показанных на рис. 11 и 20. Для крайне необычных случаев проектирования данные реализаций могут быть рассчитаны на основе соотношений, приведенных в Приложении.
Ниже обобщены процедуры проектирования системы как для оптимального использования заданного драйвера, так и для проектирования полной системы на основе спецификаций. За каждым кратким описанием следует конкретный пример проектирования.
