Кто, кто в акустической колонке греется?
Более шести лет назад на сайте ldsound.info была перепалка относительно того, какая часть энергии в громкоговорителе динамическом (ГД) преобразуется в тепло (и в каких его частях), а сколько излучается. Вот тогдашние Мнения:
Мнение 1. “Дин излучает” 80–90% подводимой мощности. В самом динамике теряется около 10%. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-41500
Мнение 2. Динамик излучает менее 1% подводимой мощности, а остальное делится между нагревом звуковой катушки и обменом с источником питания. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-41503
Мнение 3. Не забывайте, что есть трение в динамике, есть выделение тепла на катушке, да просто надо четко понимать, что динамик - обратимая электрическая машина. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-43184
Мнение 4. Если бы КПД головок как электромеханических устройств был столь мал (50 и ниже процентов), то эти головки при подаче 50, 100, 200 и уж тем более 1000 Ватт полыхали бы как факелы. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-43205
Мнение 5. При подаче 20 Вт на катушку она греется на 20, а не на 2 Ватта. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-43202
Мнение 6. Частотная характеристика импеданса конкретного динамика полностью описывает его поведение в плане распределения потерь. https://ldsound.info/simfoniya-as-003/comment-page-1/ - comment-43310
С большим опозданием решился прояснить данный вопрос.
Общие положения
Нагрев есть следствие преобразования различных видов энергии в тепловую. Количество выделившейся тепловой энергии при изменяющейся во времени мощности равно интегралу от мгновенного значения мощности за время прохождения тока. Поскольку закон изменения амплитуды для музыки в общем случае не определён, то хотя бы поэтому поставленная задача не имеет точного решения, и на этом можно было бы заканчивать статью. Но ГД греются и сгорают, так что тема при всей сложности является актуальной. Более того, продвинутым аудиофилам* удаётся иногда спалить и элементы разделительных фильтров.Тепловая энергия выделяется исключительно на активной составляющей импеданса электрической цепи. Нет активной составляющей = нет выделения тепла, хотя токи и бегают.
Источником сигнала для ГД в многополосной акустической системе (АС) является фильтр после усилителя мощности (УМ), в однополосной –непосредственно УМ. Принимаю, что УМ является источником напряжения.
Считаем, что магнитные, электрические и механические детали ГД линейны по отношению к нагреву.
Для ШП динамика рассматриваю весь звуковой диапазон частот, чтобы в него попали: механический резонанс, электромеханический резонанс и зона роста импеданса на ВЧ. Для других динамиков диапазон анализируемых частот может быть сужен.
Модуль импеданса (дальше - просто импеданс) ГД плавает относительно номинального сопротивления ГД в широких пределах. Электрическое сопротивление ЗК постоянному току (Rэ) – наименьшее во всём диапазоне частот. Оно всегда ниже номинального сопротивления (у китайских ГД – до 1,5 раза). Максимальный импеданс на частоте механического резонанса ГД больше номинального сопротивления в разы; то же самое наблюдается и на ВЧ крае звукового диапазона, если в конструкции ГД не приняты противомеры.
В Мнении 1 идёт речь о КПД ГД как электромеханического преобразователя. Второй этап преобразования энергии в ГД, дающий на выходе звуковое давление (ЗД), – механоакустическое преобразование. Именно здесь из-за малого сопротивления излучения в воздухе КПД ГД очень низок.
Мнение 3 более полно отображает диссипационные процессы, чем мнение 2, но не учитывает потери в магнитных цепях (МЦ).
Мнение 4 не подтверждается фактами: горят ГД даже и как факелы, есть видео в интернете. Весь вопрос в отношении расчётная/выделенная мощность. Когда провод ЗК потемнеет, а когда и каркас ЗК загорится... Спасает динамики пик-фактор музыки, меняющийся в зависимости от жанра в пределах 8-25дБ (данные от ИИ; жанры, с натяжкой подходящие под понятие музыки, не влияют на указанный интервал).
К клеммам ГД подводится напряжение, а как следствие - выделяется мощность. Поскольку импеданс ГД зависит от частоты (специфичные орто- и изодинамики не в счёт), то и выделенная мощность при постоянной амплитуде подведённого синусоидального напряжения будет зависеть от частоты. Отсюда Мнение 5 – неправильное с двух точек зрения. При частотно-зависимом импедансе нагрузки и широком частотном спектре сигнала говорить о “подводимой к нагрузке мощности” - некорректно. Мнение было высказано в том смысле, что при расчётной электрической мощности 20 Вт реальная тепловая мощность будет ближе к 20 Вт, а не к 2 Вт. Но, как увидим позже, справедливо это не во всех случаях (как минимум - не на всех частотах).
Мнение 6 требует подробного разбирательства, чем и займусь.
Полная эквивалентная схема замещения ГД
Схема замещения - эквивалентная, если она с достаточной точностью подменяет собой реальный ГД во всех отношениях. Минимально достаточная схема замещения ВЧ динамика содержит 7 элементов (например, https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-41949). Минимально достаточная схема замещения НЧ, СЧ и ШП динамиков содержит на 2 элемента больше (например, https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-407475). Именно для такой схемы замещения рассчитываются номиналы элементов программами LIMP и REW (вероятно, и другими). Расхождение импеданса полученной схемы замещения с импедансом реального динамика в диапазоне звуковых частот составляет единицы %, что достаточно для большинства целей.Разберём вопрос об эквивалентности схемы замещения ГД. Ответ на него – строго утвердительный. На НЧ имеет место прямое соответствие элементов электрической схемы замещения физическим параметрам ГД. В научных работах (типа https://ldsound.club/threads/panel-akusticheskogo-soprotivleniya-pas.655/post-100963) такие схемы прямо называются “эквивалентными схемами замещения”, и сомневаться в их эквивалентности нет причин. Будучи применёнными в расчёте совместно с внешними электрическими цепями, схемы замещения ГД дают результаты, 100% подтверждающиеся измерениями. Сюда относятся эффекты: “НЧ накачки” (горбик АЧХ в районе 60-100 Гц, вызванный взаимодействием ФНЧ с гибкостью подвеса низкочастотного ГД), “ВЧ накачки” (холмик АЧХ на СЧ или ВЧ, вызванный взаимодействием конденсатора ФВЧ с индуктивностью ЗК ГД), смещения частоты механического резонанса при подключении через ФНЧ. То есть, реальный ГД ведёт себя так, словно элементы внешней электрической цепи подключаются в параллель или последовательно с элементами его схемы замещения, как и должнО быть при эквивалентности.
Имеется эквивалентная схема замещения ГД из 9 элементов, из них - 4 сопротивления. Для разработки фильтров такая схема вполне годится, но для анализа выделения тепла нужна другая, более подробная схема замещения ГД, в которой были бы обособлены все места превращения электрической энергии в тепловую. Дальше, акустическое оформление (АО) и его заполнение влияют на ГД и вносят свои потери, и нам нужна эквивалентная схема ГД не фриэйр, но в конкретном АО. Рассмотрим следующие типы АО: закрытый ящик (ЗЯ), открытый ящик (ОЯ), плюс эти же АО с панелями акустического сопротивления (ПАС) и звукопоглощающим материалом (ЗПМ). Они сводятся к общей схеме замещения (рис.1):
Рис. 1. Полная схема замещения ГД в АО типов ОЯ, ЗЯ и ПАС.
- RЭ – сопротивление ЗК постоянному току.
- RИЗЛ – отвечает за внесённые потери от излучения. Его значение относительно RЭ незначительно, и RИЗЛ может быть исключён из нашей схемы замещения, тем более что выделенная на нём тепловая энергия находится за пределами ГД. Элементы, обведённые голубым овалом, имеют тем больший импеданс, чем выше чувствительность ГД (больше произведение B*l).
- LR1, CR1, RR1 отображают пичок на кривой импеданса, появляющийся из-за отражения звуковой волны назад к ЗК в материале излучателя при осесимметричном резонансе (https://ldsound.club/threads/labora...e-grafikov-impedansa-i-achkh.2496/post-262345).
- LR2, CR2, RR2 отображают пичок на кривой импеданса, который может появиться от получения диффузором энергии стоячей звуковой волны, гуляющей в ЗЯ/ОЯ при недостаточном количестве ЗПМ внутри. Оба эти пичка имеют незначительную ширину по частоте и высоту обычно не больше 110% от значений импеданса по его сторонам. Вот пичок импеданса (обведён зелёным) от влияния стоячей волны внутри ЗЯ высотой 1 метр без ЗПМ (красная кривая; градуировка шкалы по вертикали не известна) и с ЗПМ (малиновая кривая; виднО снижение частоты и интенсивности стоячей волны благодаря влиянию ЗПМ) (рис.2): https://ldsound.club/threads/primen...izgotovlenii-samodel-nykh-as.2210/post-249700
Рис.2. Влияние стоячей волны в ЗЯ на импеданс
RМЦ1 и RМЦ2 представляют сумму потерь в ферромагнетиках магнитной цепи (МЦ) и в медном колпачке/кольце на керне. При отсутствии медного колпачка элементы, обведённые фиолетовым овалом, отдалённо соотносятся с конструкцией ГД как показано на двух первых рисунках статьи https://ldsound.info/speaker-current-mode/. Я не пытался отделять потери в медном колпачке, поскольку он полностью передаёт выделившееся тепло керну и имеет одинаковую с ним температуру. Мощности, выделяющиеся на RМЦ1 и RМЦ2, буду показывать одной величиной - их суммой.
L~гибкости гофра, L~гибкости центрирующей шайбы (ЦШ) и L~гибкости объёма воздуха между диффузором и корзиной диффузородержателя – понятны из названий. Первые две индуктивности объединю в одну, пропорциональную гибкости подвеса в целом. Третью определяю приблизительно, основываясь на отношении объёма воздуха под корзиной к эквивалентному объёму конкретного ГД.
C~Mms – ёмкость, пропорциональная полной динамической массе подвижной системы. Сюда входят присоединённые массы воздуха, магнитной жидкости (МЖ), ЗПМ и материала ПАС (если таковые имеются). Лирика. О том, что присоединённая масса МЖ нелинейно зависит от скорости движения ЗК, умолчим. Впрочем, амплитуда (и скорость) движения ЗК относительно МЖ у ВЧ ГД с нормальным ФВЧ незначительна, см. ниже разницу между Случаем 8 и Случаем 9.
Rкар представляет потери в незамкнутом проводящем медном/алюминиевом каркасе ЗК.
RМЖ отвечает за нагрев МЖ вследствие вязкого трения. Потери на гистерезис МЖ учитываются в сопротивлении RМЦ1.
Rгофра и RЦШ – потери в материалах соответственно гофра и ЦШ на вязкое трение. В схемах замещения из семи/девяти элементов они объединены в одно сопротивление (оно подключено к параллельному колебательному контуру и уменьшает его добротность), но для наших целей их надо обособить.
RПАС1 – потери, внесённые ПАС1, размещённой непосредственно в окнах корзины диффузородержателя. Я проигнорировал возможное присоединение массы плохо закреплённым материалом ПАС: он не должен болтаться. При отсутствии ПАС1 RПАС1 стремится к безконечности, а при наглухо закрытой корзине ГД это сопротивление стремится к нулю. Тепло, выделяющееся от трения воздуха о материал ПАС, выделяется за пределами динамика. Раньше я не особо задумывался, что материал ПАС должен греться при работе, а ведь тут имеет место преобразование кинетической энергии воздуха в тепло. Благо, материал ПАС охлаждается тем же воздухом, трением о который ПАС и нагрелась. Сказанное справедливо и для ЦШ: она эффективно охлаждается проходящим через неё воздухом. Условия охлаждения гофра выглядят немного хуже.
L~ (V…) – индуктивность, пропорциональная гибкости объёма воздуха в ЗЯ за вычетом объёма, вытесненного материалом ЗПМ, но с учётом увеличения гибкости объёма воздуха, вызванного влиянием ЗПМ.
C1, R1, C2, R2, C3, R3 соответствуют распределённым массам и потерям, внесённых ЗПМ, находящимся в ЗЯ/ОЯ. Их удобнее привести к паре сосредоточенных элементов. Далее, примем, что ЗПМ закреплён достаточно жёстко, и избавимся таким образом от присоединённой массы, оставив лишь внесённые потери. (Присоединённая масса влияет на частоту резонанса ГД, но не влияет на величины потерь.)
RПАС2 - потери, внесённые ПАС2, размещённой в стенке ЗЯ. При отсутствии ПАС2 получаем ОЯ, при герметичном ЗЯ RПАС2 имеет величину доли-единица Ом и отображает потери на негерметичность ящика и потери в его стенках. Возможную присоединённую массу от ПАС2 игнорирую. На резонансных частотах стенок ящика амплитуда их колебаний и потери в них могут возрастать в разы, но учесть влияние резонансов стенок на их нагрев (и на нагрев ГД) не представляется возможным.
L~VКДП – индуктивность, пропорциональная гибкости воздуха в комнате для прослушивания (КДП). Её значение огромно по сравнению с другими индуктивностями схемы. Индуктивность L~VКДП удаляем.
Поскольку проводящий каркас ЗК и МЖ в одном и том же динамике в бытовых АС практически не встречаются, я укажу на схеме одно сопротивление, отвечающее двум этим потерям.
Лирика. Попытка соединить Rкар-RЦШ последовательно с реактивными элементами, с которыми они связаны, торжественно провалилась на этапе проверки со схемой конкретного ГД. А так хотелось, чтобы их номинал был пропорционален потерям!.. Не судьба: их номинал обратно пропорционален потерям.
Получаем упрощённую схему, пригодную для наших целей (рис. 3):
Рис.3. Упрощённая схема замещения ГД для анализа выделения тепла
С фильтром-то проблем нет, но вот с ГД дело хуже. Оценить значения резисторов, отсутствующих в 9-элементной схеме замещения, весьма сложно! Придётся угадывать, выдумывать))) и упрощать. Почему столь вольное поведение с главными подозреваемыми (ака сопротивлениями потерь) допустимо, станет понятно по ходу статьи.
Примеры расчётов
Ну что, о дрУги, пошаманим с некоторыми типичными случаями? Выражать мощность буду в % от мощности, которая выделилась бы на резисторе с сопротивлением, равным номинальному сопротивлению ГД, при подведении того же напряжения (далее – номинальная мощность).Случай 1: сабвуферный динамик в ЗЯ. Полоса рабочих частот ограничена ФНЧ-2 Линквица значением -6дБ/160 Гц; ПАС1, ПАС2 и ЗПМ отсутствуют. Взяв динамик https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-407474 и запихнув его в 50-литровый ЗЯ, получаю резонансную частоту 56 Гц и добротность 0,71. Динамик имеет низкую механическую добротность, равную 2,8 , что, при его мощности, скорее всего означает наличие проводящего каркаса ЗК (в описании инфу не нашёл). Вот как тут разделить потери в каркасе ЗК и в подвесе? Для этого надо
Рис.4. Схема для вычисления тепловых мощностей для Случая 1
Рис.5. Выделение тепла в ГД и АС в зависимости от частоты для Случая 1
Рис.6. Зависимость некоторых потерь от частоты для Случая 1
Случай 2: 35ГДН-1-4 с таким же ФНЧ, как в Случае 1. Объём ЗЯ равен эквивалентному объёму ГД, каркас ЗК – без проводящей фольги, потери в гофре и ЦШ взяты равными. Схема https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-26297, резонансная частота фриэйр аж 46 Гц, но я махнул рукой на “дубовый подвес”. ПАС1, ПАС2 и ЗПМ отсутствуют. Рабочая схема и результаты:
Рис.7. Схема замещения 35ГДН-1-4 в ЗЯ для Случая 2
Рис.8. Выделение тепла в ГД и АС для Случая 2
Рис. 9. Зависимость отдельных потерь от частоты для Случая 2
Рис.10. Схема замещения ФНЧ “S-90” + 75ГДН-1-4 в ЗЯ
Рис. 11. Выделение тепла в ГД и катушке ФНЧ для Случая 3
Рис.12. Зависимость некоторых потерь от частоты для Случая 3
Рис. 13. Схема замещения ФНЧ + 25ГДН-3-4 в ЗЯ для Случая 4
Рис. 14. Выделение тепла в ГД и катушке ФНЧ для Случая 4
Рис. 15. Зависимость некоторых потерь от частоты для Случая 4
Рис. 16. Схема замещения 10ГД-36К в ЗЯ с ЗПМ для Случая 5
Рис.17. Выделение тепла в частях ГД для Случая 5
Рис.18. Зависимость некоторых потерь от частоты для Случая 5
Случай 6: СЧ динамик 20ГДС-1-8 https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-16549 с ПАС1, в небольшом ЗЯ с ЗПМ. Эффективная ПАС1 снижает высоту пика кривой импеданса до 15 Ом. Режим работы без ФСЧ близок к работе мидбаса в сателлите системы “2+1” с высоким разделом (подобный режим работы для 20ГДС не рекомендую). Схема и основные статьи выделения тепла:
Рис. 19. Схема замещения 20ГДС-1-8 с ПАС1 для Случая 6
Рис.20. Выделение тепла в частях ГД и в его боксе для Случая 6
Случай 7: включим тот же 20ГДС-1-8 в том же АО через пассивный ФСЧ от АС 35АС-018 https://ldsound.info/35-as-018-amfiton/. Потери в конденсаторах ФСЧ игнорирую (они малы по сравнению с включенными последовательно с ними сопротивлениями). Активное сопротивление катушки 1 мГн равно 1,2 Ома.
Рис. 21. Схема замещения ФСЧ + 20ГДС-1-8 для Случая 7
Рис.22. Выделение тепла в частях ГД и ФСЧ для Случая 7
Случай 8: ВЧ динамик с МЖ в зазоре Visaton DSM 25 FFL-8 https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-339386 без фильтра. В качестве номинального сопротивления принято значение 6 Ом. Принимаю потери в МЖ вдвое больше, чем в подвесе. Потери на трение в МЖ+подвесе на пике достигают 26% от номинальной мощности!
Лирика. В данном ГД с наличием МЖ сопротивление резистора, отвечающего в схеме замещения за Rэ (5,6 Ома), меньше, чем паспортное значение сопротивления ЗК постоянному току (6,1 Ома)! То есть, для целей этой статьи схема замещения несколько некорректна, ошибка по нагреву ЗК со старта равна -8%. На самом деле схема замещения ГД с МЖ должна быть сложнее, ибо 7-элементная схема даже визуально неточно передаёт ход кривой импеданса в районе механического резонанса при наличии МЖ. Однако, ЗК эффективно охлаждается МЖ, так что не беда, высокой точности добиться всё равно не удастся.
Рис. 23. Схема замещения DSM 25 FFL-8
Рис. 24. Выделение тепла в частях ГД для Случая 8
Рис.25. Зависимость отдельных потерь от частоты для Случая 8
Рис.26. Рабочая схема ФВЧ + DSM 25 FFL-8 для Случая 9
Рис. 27. Выделение тепла в ГД и катушке ФВЧ для Случая 9
Рис. 28. Рабочая схема ФВЧ + DSM 25 FFL-8 для Случая 10
Рис. 29. АЧХ и входной импеданс схемы для Случая 10
Рис. 30. Выделение тепла в ГД и деталях ФВЧ для Случая 10
Случай 11: ФНЧ-2 с экономией меди и плёночных конденсаторов. ГД типа Vifa P17wj00-08 https://ldsound.club/threads/skhemy-zameshcheniya-dinamikov.475/post-496938, показываю только мощность ЗК. Катушка ФНЧ намотана на листовой трансформаторной стали и имеет потери, представленные резисторами 0,4 Ома и 47 Ом. Конденсатор ФНЧ – неполярный электролитический с полными потерями, переданными сопротивлением 1,5 Ома. Схема замещения принимает вид:
Рис. 31. Схема замещения ФНЧ + P17wj00-08 для Случая 11
Рис. 32. Графики АЧХ и входного импеданса схемы на рис. 31
Рис. 33. Выделение тепла в ЗК и деталях ФНЧ для Случая 11
Рис. 34. Схема замещения ФСЧ + 20ГДС-1-8 для Случая 12
Рис. 35. Графики АЧХ и входного импеданса схемы на рис. 34
Рис. 36. Выделение тепла в ЗК ГД и деталях ФСЧ для Случая 12
Случай 13:
Рис. 37. Кривая импеданса 25ГДН-3-4 в ФИ без фильтра
Рис. 38. Подобранная схема замещения 25ГДН-3-4 в ФИ и её импеданс
Рис. 39. Зависимость мощности в ЗК от частоты для двух типов АО
Случай 14. “Охладим” ФСЧ из Случая 12. Схема на рис. 40 практически не отличается по АЧХ от схемы на рис. 34, не более +1дБ разницы на краях участка 450-9000 Гц, но при этом имеет существенно более высокий импеданс (рис. 41), и, как результат, нагрев элементов последней схемы значительно ниже (рис. 42).
Рис. 40. Схема замещения ФСЧ + 20ГДС-1-8 для Случая 14
Рис. 41. Сравнение графиков АЧХ и входного импеданса схем на рис. 34 и на рис. 40
Рис. 42. Выделение тепла в ЗК ГД и деталях ФСЧ для Случая 14
Общие выводы
- Для синусоидального сигнала тепловая мощность, выделяющаяся в частях ГД и АС, может быть получена непосредственно по графикам, с точностью, определяемой точностью номиналов полной схемы замещения ГД + АС.
- Для музыкального сигнала необходимо учесть спектральную плотность оного. Усреднённо она соответствует фиолетовой кривой на рис. 43.
Рис. 43. Кривые стандартной спектральной плотности: старая, «филармоническая» (зеленая) и новая (фиолетовая).
Рис. 44. Распределение мощности по полосам при идеальной фильтрации. Пример для значений частот раздела 300 Гц и 3 кГц.
- Наиболее горячим местом ГД является (как и ожидалось) его ЗК. Все остальные части ГД и АС, вместе взятые, греются в пределах 10–20% от нагрева ЗК. В зависимости от динамика и фильтра, на ЗК выделяется синусоидальная мощность в пределах 30–100% от номинальной мощности.
- Полная синусоидальная мощность ГД+АС колеблется в пределах 40–120% от номинальной мощности.
- Максимум максиморум тепловой нагрузки приходится на ЗК НЧ/мидбасовых динамиков, работающих на частотах около электромеханического резонанса, если только эти частоты входят в полосу рабочих частот без ослабления фильтрами. Конусным СЧ динамикам приходится легче: обычно они работают чуть выше электромеханического резонанса, а спектральная плотность музыки в их рабочей полосе начинает снижаться. ВЧ динамики работают на частотах своих электромеханических резонансов (2–6 кГц), но спектральная плотность музыки на этих частотах - заметно ниже, чем на мидбасе.
- В удачном случае на ЗК ГД, поставленного в сабвуфер, на музыке выделяется только ~30% от номинальной мощности. Причём ФИНЧ – полезнейшая штука в плане разгрузки ЗК по мощности!
- С нормальным ФВЧ МЖ в зазоре ВЧ динамика сама по себе не греется, но отводит тепло через себя на МЦ.
- Согласно https://inform-hifi.narod.ru/9.htm, спектральная плотность музыки сильно зависит от жанра, что надо учитывать при выборе мощности ГД.
- По стандарту МЭК, «для излучателей, предназначенных для работы в пределах части звукового диапазона, измерение мощности производится на входе фильтра, выделяющего необходимую полосу частот». Таким образом, 60 Вт мощности, указанных в даташите на ВЧ ГД для ФВЧ-2 с частотой среза 3 кГц, согласно рис. 44 надо поделить на ~5, чтобы получить мощность собственно ГД.
*****Приятного прогревания звуковых катушек!*****
Последнее редактирование модератором:
