- This topic has 11 replies, 1 voice, and was last updated July 7, 2021 at 23:19 by
.
-
Posts
-
Iš JAV į Australiją persikraustęs Richard H. Small mums dovanojo puikių darbų. Žinomiausia yra su kolega australiečiu A. Neville Thiele 1973 m. aprašyta garsiakalbių teorija, pavadinta Thiele-Small (literatūroje – T/S, T-S parameters) vardu. Teorija leido sukonstruoti geresnius garsiakalbius ir kokybiškesnes kolonėles, todėl plačiai naudojama. Anksčiau kolonėlių projektavimas buvo vykdomas empyriškai, reikėjo daug laiko, patirties, brangių eksperimentų ir akustinių kamerų rezultatams patikrinti.
Pažvelkime į labai svarbų R. Small darbe atskleistą dėsningumą, parodantį, kad galioja tam tikra priklausomybė tarp AS atkuriamų žemiausių dažnių, kolonėlės dydžio ir maksimalaus efektyvumo:
Fig.16 grafikas rodo, kad tam tikro efektyvumo ir tūrio kolonėlių žemiausias atkuriamas dažnis turi būti parinktas aukščiau negu grafike surandame f3.
Grafikas atspindi tobulos kolonėlės jautrį, bet dėl garsiakalbio ir kolonėlių mechaninių nuostolių, o taip pat dėl neoptimalaus AS suderinimo, tikrasis AS efektyvumas būna 2-3 dB mažesnis.Spalvomis pažymėjau kelias iliustracijas, leidžiančias įvertinti 140 litrų tūrio kolonėlės teorines galimybes. Pakomentuosiu:
– jei AS efektyvumas 1 % (jautris 92 dB/W/m), žemiausias teorinis atkuriamas dažnis būtų 26 Hz;
– jei 140 ltr. kolonėle norime atkurti nuo 35 Hz, tuomet gali būti pasiektas didesnis (96 dB/W/m) AS jautris;
– norint atkurti, tarkime nuo 16 Hz, maksimalus teorinis tokio tūrio AS jautris sumažėtų iki 86 dB/W/m.
Didesnei 230 litrų (8 kub. pėdų) tūrio kolonėlei galiotų kitokia priklausomybė:
– su 1,5 % (96 dB/W/m) efektyvumo garsiakalbiu AS gali atkurti nuo 30 Hz;
– 20 Hz atkūrimas galimas esant 0,75 % (91 dB/W/m) audio sistemos efektyvumui.Grafikas parodo labai svarbią R. H. Small formulę, o tą Maksimalaus efektyvumo, Žemiausių atkuriamų dažnių ir Kolonėlės tūrio priklausomybės formulę paryškinau autoriaus tekste:
ɳ0(max) – didžiausias teorinis AS efektyvumas;
f3 – kolonėlės žemiausias atkuriamas dažnis Hercais -3 dB lygyje (kai amplitudė sumažėja dvigubai);
VB – kolonėlės tūris kubiniais metrais.Formulė rodo, kad didžiausią efektyvumo sumažėjimą lemia siekis atkurti žemesnius dažnius (f3 parametras formulėje įrašytas kube). Reiškia, norėdami atkurti dvigubai žemesnius dažnius, AS efektyvumas bus 8 kartus mažesnis ir norint jį kompensuoti, reikia 8 kartus padidinti kolonėlės tūrį.
Paminėsiu dar tokias priklausomybes:
– efektyvumą galima padidinti didinant spinduliuotuvo (membranos) plotą;
– žemiausias gerai suderintų kolonėlių su fazės apgręžėju (FA) atkuriamas dažnis būna maždaug toks, kaip garsiakalbio rezonansas;
– didžiausias sistemos efektyvumas bus tada, kai ŽD garsiakalbio rezonansas bus maždaug toks, nuo kurių atkuria kolonėlė (garsiakalbio fs ir FA suderinimo dažniai skiriasi nežymiai). Ir atvirkščiai – parinkus ŽD garsiakalbį su žemesniu rezonansu, AS efektyvumas sumažės.Norint atkurti žemesnius dažnius, atitinkamai mažėja AS jautris. Kitaip sakant, norint didesnio efektyvumo (jautrio), kolonėlių žemiausiųjų dažnių atkūrimą reikia perslinkti aukštyn.
Praktiškas patarimas:
kadangi žemiausiai grojančio instrumento (BB flat tuba) apatinė nata yra 29,13 Hz, konstruoti AS su žemesniu kaip 30 Hz atkūrimu prasmės nėra; formulė (35) ir Fig. 16 grafikas rodo, kad kiekvienas žemiau atkuriamas dažnis kainuos spartų audio sistemos efektyvumo (AS jautrio) sumažėjimą.
Aukščiau paminėta (35) formulė, nusako maksimalaus efektyvumo-AS tūrio-žemiausio atkuriamo dažnio ryšį. Tai leidžia apžvelgti praktines kolonėlių su FA konstravimo galimybes.
Pirmiausia suskaičiavau AS jautrio priklausomybę nuo žemiausio atkuriamo dažnio 50 litrų dyžio kolonėlei. Žinome, kad teorinis maksimalus efektyvumas nepasiekiamas dėl nuostolių garsiakalbyje ir kolonėlėje. Taip pat žinome, kad korpusą užpildžius garsą sugeriančiaja medžiaga, efektyvus kolonėlių tūris padidėja. Gaunasi, kad efektyvumo (jautrio) sumažėjimas dėl nuostolių bus ne 2-3 dB, bet kažkiek mažesnis. Skaičiavimuose naudojau 2 dB jautrio sumažėjimą ir gavau tokią priklausomybę:
Pav. 1Jei 50 ltr. tūrio kolonės žemiausias atkuriamas dažnis f3 yra 100 Hz, AS jautris gali siekti 103 dB/W/m.
f3 sumažinus iki 50 Hz, maksimalus jautris sumažėja iki 94 dB. Norint atkurti visą muzikos spektrą nuo 30 Hz, aukščiausias pasiekiamas kolonėlių jautris bus 87 dB. Turint dar ambicingesnį tikslą atkurti nuo 20 Hz, 50 litrų dydžio AS jautris bus labai mažas – tik 82dB/W/m.
Apie tą patį stiprintuvo parinkimo ir kambario įgarsinimo požiūriu:
– gerai sukonstruotai 50 ltr. kolonėlei su FA, atkuriančiai nuo 50 Hz reikalingas 20-50 vatų stiprintuvas. Klausant tokią stereo GAS 3 metrų atstume, 20 vatų stiprintuvas sukurtų 88 dB nominalų garsumą arba 104 dB pikinį. 50-vatis – atitinkamai 92 ir 108 dB. Didesnės galios tokia kolonėlė nebeatlaikytų, nes būtų juntamas žemadažnio garsiakalbio SPL kompresavimas ir dideli THD;
– kolonėlė su 30 Hz žemiausiu dažniu ir tos pačios 20 W galios stiprintuvu leistų klausyti muziką 81/97 ir 85/101 dB padavus 50 W. AS ir stiprintuvas dirbtų sunkesniame režime, būtų didesni iškraipymai. Tokios GAS dinaminis diapazonas neleistų atkurti trankesnės muzikos;
– kolonėlė su atkūrimu nuo 20 Hz turėtų labai mažą efektyvumą/jautrį. Stiprintuvo galia būtų eikvojama garsiakalbio ritei šildyti, bet ne garsui. Maksimalus garsumas būtų 76/92 (20 W) ir 80/96 W (50 W). Kolonėles pasistačius ant tvirto stalo kažkur prie kompiuterio, metro atstume turėtume nežymiai geresnę dinamiką, kai 50 W galia duotų 89 ir 105 dB pikinį SPL.Kreivės forma rodo, kad 50 litrų dydžio kolonėlei racionalu parinkti atkūrimą maždaug nuo 50 Hz. Parinkus žemesnį dažnį, kolonėlės galėtų įgarsinti tik labai nedidelį kambarį.
Ar galime nusipirkti 94 dB/W/m jautrio kolonėles, atkuriančias nuo 50 Hz?
Nei tokių, nei su 91 dB/40 Hz, nei 89 dB/35 Hz 50 litrų dydžio kolonėlių surasti nepavyktų.
Ar galima tokias sukonstruoti?
Galima, bet būtų reikalingi labai kokybiški 10 arba 12″ žemadažniai, kolonėlės turėtų būti aktyvinės ir preciziškai suderintos.
94 dB/W/m jautris reikalautų ruporo, nes paprastų kupolinių AD garsiakalbių jautris būna mažesnis. Paslinkus efektyvumo kreive žemyn iki 92 dB, būtų lengviau rasti AD garsiakalbių ir užtikrinti bendrąjį AS jautrį standartiniame 300 – 3000 Hz dažnių ruože, bet pasitiktų kita problema – nerastume ŽD garsiakalbio su žemu rezonansu, galinčiu dirbti 50 litrų korpuse ir turinčiu >92 dB/W/m jautrį.Gamintojų katalogai parodo AS pramonės galimybes. Pažvelgus į Westlake Audio, TAD, JBL, Tannoy produkciją, pilnai atitinkančių teorinį “50 litrų” lygį kolonėlių nėra. Iš artimiausių paminėčiau TAD-2251/2252, JBL 4311, Tannoy LRM, Westlake LC 3W12 kolonėles.
47 litrų Tannoy LRM paveikslėlyje o čia filmukas.
Pažvelkime kaip kinta maksimalus kolonėlių efektyvumas, o tuo pačiu – jautris nuo korpuso tūrio.
Paveikslėlyje skaičiavimų rezultatai kreivėmis. Skaičiavau analogiškai kaip buvo parašyta ankstesniame poste. Viršutininioji yra teorinė, kurią pasiekti būtų labai brangu. AS gamintojai paprastai renkasi pigesnius variantus, todėl reali kreivė pasislinkusi žemyn:
Pav. 3
Skaičiavimai rodo, kad konstruojant mažą 10 litrų kolonėlę, atkuriančią nuo 50 Hz, galime pasiekti maždaug 85 dB/W/m jautrį. R. H. Small įrodė, kad tūris yra tiesiausias kelias AS efektyvumo didinimui. Pažiūrėkite – padidinus kolonėlę iki 20 ltr. efektyvumas padvigubėja. Reikės mažesnės galios stiprintuvo, turėsime mažesnius GAS iškraipymus, galėsime klausyti sudėtingesnę muziką ir daug kitų didesnio jautrio teikiamų privalumų.
75 litrai būtų riba, o tolesnis nuo 50 Hz atkuriančios kolonėlės korpuso didinimas darytų mažesnę įtaką. 94 dB/W/m jautris yra priimtinas lempiniams stiprintuvams ir labai palankus nedidelės galios tranzistoriniams. Net su 30 W galios stiprintuvu 75 litrų AS sukurtų 89 dB SPL ir galėtume klausyti stereo muziką patogiame 3 metrų atstume. Pikinis tokios AS garsumas su 30 W stiprintuvu siektų 105 dB ir leistų komfortiškai klausyti didžiųjų simfoninių orkestrų įrašus. Tiktų ir galingesnis, bet daugiau 100 W stiprintuvo nesirinkčiau. Siekiant kokybės, 94 dB jautrio sistemai siūlyčiau A-klasės tranzistorinį stiprintuvą, nes šios klasės 30-vatis nebūtų labai brangus.
Analogiškam garsumui sukurti su 10 litrų kolonėlėmis reikėtų 200 vatų galios į kanalą. Stiprintuvas būtų brangus, o mažos kolonėlės generuotų daug iškraipymų ir atsirastų pavojus sudeginti garsiakalbius.
Dar geresnį rezultatą gautume pasirinkę 300 litrų dėžę su FA. Galėtume pasiekti ~100 dB jautrį ir didelį GAS tiesiškumą, bet tada ar mus tenkintų 50 Hz žemiausias atkuriamas dažnis? Šį vakarą pabandysiu tai įvertinti skaičiais.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Altec/JBL gamino puikias dvijuostės dideliuose korpusuose. Iconic kolonėlės buvo naudojamos įrašų studijose, bet ir šiais laikais išlieka puikus instrumentas muzikai pasiklausyti.
Nuotraukoje ~300 ltr. dydžio Line Magnetic Audio gaminamos, į senasias Iconic labai panašios kolonėlės (13000 €):
Prisėdau prie dar vieno kolonėlių Efektyvumo-Žemiausių dažnių-Tūrio skaičiavimo rezultatų rinkinio.
Paveikslėlyje maksimalaus efektyvumo (jautrio) kreivių pluoštas. Viršuje parodytas efektyvumo kitimas kolonėlėms, atkuriančioms nuo 50 Hz, o žemiausia kreivė rodo ypatingai gerai 20 Hz žemuosius dažnius atkuriančių kolonėlių galimybes. Korpuso dydžio diapazonas paliktas toks pat – nuo 10 iki 300 litrų.
Pav. 4
Kelios išvados:
1. Didžiausias AS efektyvumo praradimas stebimas nuleidžiant žemiausiai atkuriamus dažnius nuo 30 iki 20 Hz. Matyt čia slypi atsakymas, kodėl net aukščiausios klasės studijinių garso kontrolės monitorių FR prasideda nuo 30 Hz. Svarbu tai, kad žemiau grojančių instrumentų beveik nėra, surasti įrašų nuo 20 Hz sunku, todėl racionalus GAS žemiausias dažnis yra 30-35 Hz.
2. Jei yra vietos, reiktų rinktis kuo didesnes kolonėles. Mažosios pigesnės, bet įvertinus galingo stiprintuvo, laidų kainą ir garso kokybę, mažosios pralaimi didesnėms.
3. Grafikuose pateiktas teorinis maksimalus efektyvumas, kurį praktiškai pasiekti galima tik kruopščiai parinkus AS struktūrą, naudojant labai gerus garsiakalbius ir juos sumontavus į kokybiškai pagamintus korpusus.
4. Vertinant kolonėles, rezultatą reiktų 2-3 dB sumažinti, nes yra nuostoliai. Brangioms aktyvinėms AS, o taip pat geriausiems studijiniams monitoriams maksimalus efektyvumas būna artimesnis teoriniam.Pažvelkime į galimybę sukonstruoti 95 dB/W/m jautrio kolonėles ir kaip tokių AS tūris priklausys nuo žemiausių atkuriamų dažnių.
Suskaičiuotą priklausomybę atvaizdavau grafiškai.
Kolonėlei nuo 100 Hz užtektų 8 litrų tūrio ir ji galėtų būti 95 dB/W/m jautrio. Norint atkurti 50 Hz, reiktų žymiai didesnio 64 litrų korpuso. Žemiausiai oktavai atkurti reiktų dar didesnio korpuso, o muzikai nuo 30 Hercų būtinas 295 litrų tūris. Norėdamas nustebinti pasaulį “20 Hz” projektu, konstruktorius turėtų kibti į vieno kubinio metro (1000 ltr) dydžio korpuso projektavimą. Būtų brangi, nepakeliamai sunki ir netransportuojama kolonėlė. O ir nereikalinga, nes sunku būtų rasti įrašų nuo 20 Hz…
Pav. 5Sugrįžtant prie aptarto Magnat Transpuls 1500, matome didelį gamintojo deklaruoto 95 dB (2,8V/m) jautrio ir žemiausio 16 Hz atkuriamo dažnio neatitikimą. Skaičiavimai rodo, kad tokio jautrio 140 litrų kolonėlės geriausiu atveju gali atkurti nuo 38 Hercų.
Zoną, kurioje įvertintas žemųjų dažnių atkūrimas ir kolonėlės dydis, apvedžiau rėmeliu “Racionalus tūris”.
Sumažinus reikalavimą jautriui iki 85 dB/W/m, reikalingas AS tūris tam pačiam žemiausiam dažniui atkurti sumažėja 10 kartų: 100 Hz atkurtų stiklainio dydžio 0,8 litrų kolonėlė, 50 Hercų atkūrimui reikėtų gaminti 6,4 ltr. dėžutę, 35 Hz atkurtų 18,6 ltr. kompaktiškos lentyninės, o 100 litrų kolonėlės galėtų grotų nuo 20 Hercų.
Racionalus 85 dB/W/m jautrio kolonėlių tūris būtų 10 – 20 ltr. Tokios tinka muzikai nuo 40 ar 35 Hz atkurti ir būtent tokio dydžio yra šiuo metu rinkoje vyraujančios lentyninės AS.Norint atkurti 40 – 30 Hz su 95 dB/W/m jautriu (1,95 % efektyvumu), reikia konstruoti 120 – 300 litrų dydžio kolonėlę. Kolonėlių maksimalaus efektyvumo-žemiausių atkuriamų dažnių-AS tūrio priklausomybę nustatęs Richard H. Small mums davė tikslų manipuliacijos pagrindiniais kolonėlių parametrais instrumentą.
Efektyvumas yra vienas svarbiausių GAS parametrų. Pasirinkus tam tikrą efektyvumą (jautrį), konstruktorius ieško atitinkamo jautrio ŽD garsiakalbių, galinčių dirbti nuo reikiamo dažnio, nustato darbo dažnių juostą, parenka kitus garsiakalbius, projektuoja filtrus ir pasirenka akustinį suderinimą.6-ame paveikslėlyje nubrėžiau Racionalaus AS dydžio liniją. Nuo 50 Hz atkuriančios gali būti mažesnio efektyvumo, todėl ~70 litrų tūris būtų racionalus. Jei muzikos mylėtojas nori klausyti visą dažnių diapazoną, siūlyčiau rinktis AS, galinčias atkurti sudėtingiausių žanrų muziką. Tada reikalingas didesnis GAS dinaminis diapazonas ir čia be didesnio jautrio neišsiversi. Štai kodėl mano “racionalumo” linija sulig atkūrimo dažnių žemėjimu eina link didesnių kolonėlių.
Neracionalaus AS dydžio zona apima mažiausio tūrio ir mažiausio jautrio kolonėles. Ne visad tokios būna pigiausios, nes gamintojai stengiasi suvilioti parametrais (žemiausiais deklaruojamais dažniais). Patarčiau būti budriems ir rinktis AS su kažkiek aukštesniu žemiausių dažnių atkūrimu. Pabėgę iš “racionalaus dydžio” zonos prasčiau išgirsite kažkokią žemiausią vargonų natą, bet laimėsite kokybės visoje muzikoje.
Pasirinkimo kriterijai būna skirtingi. Jei svarbiau ne garso kokybė, bet kaina arba gabaritai, teks nubrėžti statesniu kampu žemyn einančią liniją.
Pav. 6
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1-6 paveikslėliuose dažniausiai sutinkamų kolonėlių su FA parametrų teoriniai grafikai.
GAS konstruktoriui grafikai gali padėti pasirinkti kelią, o muzikos mylėtojui – įvertinti ką jis klauso, ar gamintojas nepagražinęs parametrų, kokių kolonėlių reiktų ieškoti sekančiam GAS tobulinimo etapui.Kokios kolonėlių su FA dinaminės galimybės?
Į šį klausimą atsakymą randame R. H. Small straipsnyje – Vented-Box Loudspeaker Systems. Part II: Large-Signal Analysis.
Didžiausia kolonėlių su FA akustinė galia priklauso nuo garsiakalbio konstrukcijos ir nuo akustinio suderinimo. Taip pat nuo FA, nes prie didesnių SPL fazės apgręžėjo darbas pakinta. Buitinės aparatūros rinkoje vyrauja sumažinti FA, nes tai leidžia atpiginti produkciją. Pagarsinus, mažosiose AS atsiranda FA kompresavimas, akustinio rezonatoriaus suderinimo dažnis pradeda pulsuoti aukštyn-žemyn kartu su muzika. Kolonėlės išsiderina ir žemųjų dažnių atkūrimas nebe toks, kaip klausant tyliai.
Elektrinę AS galią lemia garsiakalbio motoro konstrukcija. Prieš dešimtmečius buvo gaminami ŽD garsiakalbiai su Alnico magnetais, o ritės buvo vyniojamos stačiakampia viela. Dabar rinkoje tokių nebelikę, įsivyravo paprastesni sprendimai, vedantys prie GAS tiesiškumo sumažėjimo.
Dinaminį GAS potencialą lemia kolonėlės, o čia svarbiausias yra ŽD garsiakalbio membranos dydis ir maksimali eiga. Abu šie parametrai kartu sudėjus parodo membranos stumdomo oro tūrį (driver displacement). îs dydis nusako kolonėlių žemiausių atkuriamų dažnių potencialą, kurio išnaudojimas yra konstruktorių rankose.Žemiausių atkuriamų dažnių, garsiakalbio stumdomo oro tūrio ir sukuriamos akustinės galios priklausomybė, kai atkuriamas muzikinis signalas pavaizduota paveikslėlyje Fig. 19 (*):
Pažymėjau dviejų AS su skirtingais ŽD garsiakalbiais dinamines galimybes.
Žalia spalva – kolonėlių su 40 cm diametro TAD TL-1601 garsiakalbiu ir 30 Hz atkūrimu. Šio garsiakalbio membranos stumdomo oro tūris VD = 1410 cm3, o maksimalus garsumas (SPL) 1 metro atstume bus ~119 dB.
Oranžine spalva pažymėjau lentyninių AS su 18 cm diametro žemadažniu garsiakalbiu Scan-Speak 18WU/4747 dinamines galimybes. Šio garsiakalbio VD yra mažesnis (185 cm3), o maksimalus SPL atitinkamai ~102 dB. Garsiakalbių membranų stumdomo oro tūris skiriasi 7,6 kartus, tačiau su dideliu žemadažniu kolonėlių dinaminės galimybės 35 kartus (17 dB) didesnės.* – Fig. 19 diagrama atspindi apibendrintą daugelio AS su FA akustinę galią, kurios matematinė išraiška užrašoma supaprastinta (41) formule: PAR(VB) = 3*f34VD^2
Pav. 2- You must be logged in to reply to this topic.