Garsiakalbio "Thiele-Small" parametrų matavimas

Šį straipsnį, iš anglų kalbos, (Orginalas - http://sound.westhost.com/tsp.htm ) išverčiau maždaug prieš metus, vienam lietuvių portalui http://www.i-klubas.lt. Dabar nuspręndžiau jog būtų gerai ir į savo asmeninį puslapį įkelti.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Sveiki, šiuo straipsniu norime jums papasakoti, kaip galima išmatuoti garsiakalbio pagrindinius parametrus, kad galėtumėte suskaičiuoti, kokios dėžės jūsų pasirinktam garsiakalbiui reikia. Metodas išties lengvas, neturėtų sukelti problemų tiek patyrusiam, tiek pradedančiajam konstruktoriui.

Žodynas:

Re, Fs, Qes, Qms, Qts matavimas:

Kad išmatuotume paminėtus parametrus, žemiau aprašytu metodu, mums reikės tokių prietaisų:

Pirmam paveikslėlyje parodyta tipinė garsiakalbio impedanso priklausomybė nuo dažnio (pažiūrėkite penktą paveiksliuką, ten pateikta garsiakalbiui ekvivalenti schema, kuri ir buvo naudojama simuliuojant pirmo paveiksliuko kreivę). Rezonansas sukelia labai staigų impedanso pakilimą. Aukštesniame dažnyje ritės induktyvumas (ar dalinis induktyvumas) priverčia impedansa kilti dar kartą, bet šiuos pakilimus atskiria tiesi sritis. Pavyzdyje žemiau, rezonansas įvyksta ties 27Hz, o tiesi sritis tęsiasi nuo 100Hz iki 400Hz.
Impedanso kilimas prieš rezonansą yra pagrinde induktyvinės kilmės. Rezonanso metu, garsiakalbio impedansą sudaro tik realioji varža R. Už rezonanso, kai impedansas jau krenta, jo kilmė pagrinde talpuminė. Tiesios srities ruože impedansą pagrinde sudaro tik realioji varža kuri truputį mažesnė už nominalų garsiakalbio impedansą (nominalus impedansas tai garsiakalbio atkūrimo diapazone esančio impedanso vidurkis). Po tiesaus ruožo prasideda aukštesnių dažnių sritis, kur ritės induktyvumas daro pastebimą įtaką, impedansas pradeda kilti ir yra vis labiau didėja, didėjant dažniui, impedanso prigimtis darosi vis labiau induktyvinė. Pastarąjam ruože dažnai pridedama kompensacinė grandinė, kad būtų palaikytas pastovus impedansas ir pasyvus filtras gerai dirbtų šiam diapazone. Naudojant aktyvų filtrą, tokia garandinė nereikalinga.
Aukštesniame dažnyje pasireiškiantis induktyvumas dažnai vadinamas daliniu induktyvumu. Taip yra dėl nuostolių , aukštesnių dažnių juostoje impedansas tipiškai pakyla 3-4dB/oktavai, vietoj numanytų (ir susimuliuotų dėl panaudoto "gryno" induktyvumo, paprastos ritės) 6dB/oktavai. Tie 3-4dB/oktavai daro mažą arba nedaro jokios įtakos matavimų tikslumui ir gali būti ignoruojami atliekant šiuos matavimus.

1 paveiksliukas - Tipinis garsiakalbio impedanso kitimas nuo dažnio

Multimetras turi gebėti matuot dažnį, o ne vien tik kintamą įtampą ir varžą, nes tikslus dažnio žinojimas šiuose matavimuose yra būtinas. Stiprintuvas, su pajungta apkrova (garsiakalbiu), turi nekeisti signalo amplitudės 10Hz-2kHz diapazone. Dažnio generatorius turi generuoti signlą su mažu iškraipymų kiekiu ir nekeisti signalo amplitudės keičiant dažnį. Jeigu, kaip dažnių generatorius, naudojamas kompiuteris, tai generuojamą dažnį, dažniausia, jis rodo pakankamai tiksliai ir nereikai multimetro matuojančio dažnį, bet kompiuteris negali generuoti dažnio su reikšme po kablelio ir tai suprastins matavimų tikslumą.
Reikėtų suprasti, kad yra labai daug galimybių padaryti kažką ne taip. Pats garsiakalbis yra nepastovus aparatas ir jo parametrus praktikoje nustatyti 100% tiksliai, neymanoma. Kambarys ir jame esantys daigtai įves didesnias paklaidas nei maža matavimo klaida.

Pradėkim, išmatuokite garsiakalbio varžą tarp jos pajungimo kontaktų, gausite dydį Re.

Išmatuokite tikslų 10 omų varžos nominalą, gausite dydį Rs.

Garsiakalbis turėtų būti pakabintas laisvame ore be jokiu kliūčių ir interferuojancių paviršių aplinkui. Bet kokios sienos/plokštumos esančios arčiau nei 60cm paveiks matavimų tikslumą.

Sujunkite komponentus kaip parodyta 2 paveiksliuke, dažnių generatorių nustatykite tarp 100Hz-200Hz (ar 2-3 oktavos virš numanomo rezonanso). Tai turėtų būti tiesiam ruože kaip parodyta grafike.

Nustatykite stiprintuvo išėjimo įtampa tarp 0,5V-1V (tai bus dydis Vs). Ją matuokite tarp stiprintuvo išėjimo gnybtų. Patikrinkite, ar garsiakalbis nėra šalia rezonanso (yra tiesiam ruože). Tam pakeiskite dažnį 50Hz ar panašiai į abi puses. Įtampa tarp varžos kontaktų neturėtu pasikeisti.

Gali reikėti pabandyt skirtingas įtampas dėl matavimo (ar skaičiavimo) tikslumo, bet nenaudokite didesnės įtampos nei 1V RMS, nes garsiakalbis gali būti "išvestas" iš jo tiesinio (normalaus) darbo diapazono, o tada matavimo rezultatai visiškai neatitiks tikrovės. Mūsų matuojami parametrai yra "mažo lygio" todėl butina, kad jie ir būtų matuojami naudojant mažo lygio signalą. Su 8 omu garsiakalbiu, 10 omu varža ir vieno volto signalu turėsime maždaug 55mA srovę (I=U/R). Tai mums tinka.

2 paveiksliukas - Sujungimo schema

Dažnai matuojant Q faktorių matuojamas dažnių diapazonas tarp -3dB dažnių esančių abejose rezonanso pusėse. Tada rezonansinis dažnis padalinamas iš dažnių diapazono. Pavyzdžiui: jei rezonansas 29.6Hz, -3dB dažniai 25Hz ir 35Hz Q bus 2,96. Mūsų matavimuose šis Q yra Qms. Šitas metodas daugiau tinkamas, kai Q faktorius mažas, bet kada Q aukštas labai lengva padaryti mažą klaidą, kuri padarys didžiulę paklaidą galutiniuose skaičiavimuose.
Daugelis metodų internete aprašyti sudėtingesnėm formulėm, kurios naudoja -6dB ar net -9dB kaip atskaitos tašką dažnių diapazonui. Metodas žemiau aprašo matavimą, kuris atskaitos tašku, dažnių diapazono matavimui, naudoja -6dB taškus.

Pirma išmatuokime rezonansą. Mažinkite dažnį, kol įtampa tarp varžos kontaktų nukris iki minimumo. Nieko nekeičiant užfiksuokite tą įtampą ir pamatuokite dažnį. Užfiksuota įtampa tarp varžos kontaktų Vm, išmatuotas dažnis tai rezonansinis dažnis Fs.

Dabar atlikite sekančius skaičiavimus:

Dabar reikia pamatuoti -6dB taškus. Fl tai -6dB taškas esantis žemesniam dažnyje nei rezonansas, o Fh esantis aukštesniam dažnyje. Matavimas: multimetru matuokite įtampą tarp varžos kontaktų ir keiskite dažnį aukštyn arba žemyn nuo rezonanso. Kai voltmetras parodys įtampa Vr užfiksuokite dažnį, prie kurio tai vyksta. Užfiksuotas dažnis ir bus -6dB taškas. Fl ar Fh priklausys nuo to į kurią pusę keitėte dažnį.
Tai labai svarbi matavimų dalis, tad pasitikrinkite. Jei išmatuotas rezonansinis dažnis skirsis nuo suskaičiuoto sqrt((Fl * Fh)) = Fs daugiau nei 1Hz, ankstesnius matavimus reikės pakartoti, iki bus pasiektas reikalaujamas tikslumas. Esant reikalaujamui tikslumui, toliau galima skaičiuoti Qes, Qms, Qts.

Vas matavimas:

Vas matavimams naudokite tvirtą, uždarą dėžę. Jos dydis turėtų būti kūbas, kurio kraštinės ilgis maždaug toks pat, kaip ir garsiakalbio diametras. Pvz.: 30cm (12") garsiakalbio dėžė galėtų būti 28L. Garsiakalbis pritvirtintas magnetu į išorę, kad būtų lengva prieiti prie pajungimo gnybtų.
Patogu kraštinių ilgius matuoti decimetrais (10cm). Sudauginę ilgį, plotį ir aukštį iš karto gausite litrus. Jei dauginsite tuos ilgius išmatuotus centimetrais, tai atsakymas gausis mililitrais. Mililitrus padalinę iš 1000 gausite litrus. Nepamirškite, kad prie dėžės vidinio tūrio prisidės tūris membranos viduje, bei tas, kuris susidaro išpjovus ertme garsiakalbiui dėžės sienoje. Abu šie tūriai, trečiam paveikslėlį, bendrai nuspalvinti pilka spalva.

3 paveiksliukas - Vas matavimas

Membranos vidinį tūrį patogu rasti dvejais būdais:

1. Ant membranos ištiesti lengvai priglundantį (ploną) poletileną (celofaną) ir tada vidinį tūrį pripilti rupios medžiagos pvz.: kruopų ar manų. Išpylus medžiagą į graduotą indą surasime tūrį. Šio metodo minusas tas, kad rupios medžiagos masė pastums membraną gilyn ir tūris gausis truputį didesnis.
2. Galima membraną padalinti į paprastas geometrines figūras ir suskaičiavus jų tūrius sudėti ir gauti bendrą. Šis metodas patikimiausias daugeliu atvejų, bet nėra 100% tikslus.

4 paveiksliukas - Garsiakalbio anatomija, jo membranos padalinimas į paprastas figūras

Kaip matyti ketvirtam paveikslėlyje, membraną galima išskaidįti į diską, cilindrą ir trikampį žiedą. Cilindro aukštis, dėl sferinio dulkių dangtelio paviršiaus, nėra visose vietose vienodas, todėl reikia imti ilgių, skirtingose vietose, vidurkį.

Cilindro ir disko tūrį reikia skaičiuoti pagal formules:

Trikampio žiedo tūris apskaičiuojamas pagal formulę:

Pilko ploto tūris yra trijų, viršui suskaičiuotų, tūrių suma.
Viduje dėžė gali būti sutvirtinta sąramom. Nepamirškite, kad sąramos taip pat užima tūrį. Negalima sutvirtinimui naudoti stiklo audinio ar kitų garsą slopinančių medžiagų. Į dėžę jokiu būdu negalima dėti sintepono, banguoto paralono ir panašių medžiagų.

Rezonansinį dažnį dėžėje matuokite taip pat kaip matuodami laisvame ore, tik čia garsiakalbis "gros" į dėžę.
Vas = Vb((Fb / Fs) 2 -1 Čia Vb yra bandomosios dėžės tūris, kartu su garsiakalbio ribojamu tūriu. Fb - rezonansas uždaroje dėžėje. Fs - rezonansas laisvame ore.

Garsiakalbio ekvivalentinė schema:

5 paveikslėlyje parodyta garsiakalbio ekvivalentinė schema, kurią galima naudoti simuliuojant šiuos matavimus.

5 paveiksliukas - Garsiakalbio ekvivalentinė schema

Straipsnis išverstas iš anglų kalbos. Orginali versija yra http://sound.westhost.com/tsp.htm