Калькулятор НЧ динамиков ящиков для них


(сам калькулятор внизу страницы - читайте и дойдете до калькулятора). 


Этот раздел правильнее было бы назвать калькулятор НЧ полосы, так как он помогает выбрать НЧ-динамик, усилитель и объём закрытого ящика. Он показывает, какую громкость можно получить на выбранной частоте, что ограничивает результат и сколько запаса придётся отдать ради более компактного корпуса.

АЧХ системы мы будем задавать сами — эквализацией в процессоре. Здесь мы выбираем запас громкости и оцениваем, какой объём корпуса для него необходим.

При традиционном проектировании пассивной акустики параметры динамика и оформление во многом определяли форму басовой характеристики. Подбирали добротность и объём, чтобы получить нужный спад.

В активной системе характеристику можно скорректировать. Поэтому динамик мы рассматриваем прежде всего как излучатель, который должен перемещать необходимый объём воздуха. Нас интересуют его возможности: какой ход доступен, сколько потребуется напряжения и мощности и насколько сильно движение ограничивает ящик.

Меньший ящик не обязывает слушать музыку с меньшим количеством баса. Нужную АЧХ можно восстановить обработкой. Но максимальная громкость, на которой система сможет её воспроизвести, может снизиться.

Параметры Тиля — Смолла при этом сохраняют значение: они определяют, какой ценой получится нужное движение диффузора. Эквализация задаёт желаемую характеристику, а динамик, корпус и усилитель определяют доступный запас.

Почему по умолчанию выбраны 30 Гц? Это глубокий бас, который ещё встречается в музыке и воспринимается слухом, но уже предъявляет серьёзные требования к динамику. Такая частота хорошо показывает, насколько система способна воспроизводить самый нижний участок музыкального диапазона.

20 Гц тоже можно услышать, однако чувствительность слуха там значительно ниже. Одновременно растут требования к излучателю: для одинакового SPL на 20 Гц требуется в 2,25 раза больший вытесняемый объём, чем на 30 Гц. Поэтому полноценные 20 Гц могут дорого обойтись по размерам, ходу и мощности, а их необходимость зависит от ваших записей и задач.

Для первого знакомства с расчётом можно использовать такие ориентиры:

Одна длинноходная 12″ головка

30 Гц

Одна 10″ головка

40 Гц

Одна 8″ головка

50 Гц

Две 8″ головки в корпусе

40 Гц
Две 10″ головки

30 Гц

Одна 18″ головка

20 Гц


Для обычной десятки разумно сначала оценить возможности на 40 Гц, а затем посмотреть, что остаётся на 30 Гц. От одиночной восьмёрки не обязательно требовать отдачи большого сабвуфера: начните с 50 Гц. Две восьмёрки уже дают больший суммарный объёмный ход, поэтому можно вернуться к оценке на 40 Гц.

Это стартовые ориентиры для бытовой музыкальной системы. Длинноходная десятка может оказаться способнее короткоходной двенадцатидюймовой головки, а специализированная восьмёрка — работать заметно ниже предложенного ориентира. Окончательный ответ дают площадь, ход, параметры динамика и возможности усилителя.

Опорная частота — точка проверки запаса громкости. Она не устанавливает частоту среза и не означает, что ниже неё система перестанет играть. Частоту можно менять. Для сравнения разных динамиков выбирайте одну и ту же точку: в калькуляторе она общая для всех вкладок.

Начните ввод с паспортных параметров: Fs, Qms, Vas, Sd, затем Re и Qes. Этого набора достаточно для восстановления основных связанных параметров.

Если вместо Sd производитель указал эффективный диаметр диффузора DIA, введите его — площадь рассчитается автоматически. Можно сделать и наоборот: ввести площадь и получить диаметр.

Здесь нужен именно эффективный излучающий диаметр. Наружный размер корзины, диаметр монтажного отверстия и условные «12 дюймов» для такого пересчёта не подходят.

Заполнять все поля вручную не требуется. Параметры Тиля — Смолла связаны между собой. Например, Vas вместе с Sd определяют податливость подвеса, а после добавления Fs можно получить подвижную массу. Если известны физические параметры Cms, Mms, Rms и Bl, можно начать с них, дополнив набор площадью и электрическим сопротивлением.

Рассчитанные значения выделяются голубым. Если введённые числа противоречат друг другу, проверьте единицы и очистите избыточные поля, чтобы программа восстановила их из выбранного исходного набора.

Le — индуктивность катушки — необязательна. Если поле пустое, принимается нулевое значение. Известную паспортную индуктивность можно добавить для уточнения расчёта.

Xmax вводится в одну сторону от положения покоя. Если производитель указал ±10 мм, вводите 10. Если указан полный размах 20 мм peak-to-peak, также вводите 10.

Отдельно укажите долговременную мощность одного динамика. Пиковые рекламные значения для этого не подходят. Калькулятор использует введённое число как условный предел нагрева катушки, оцениваемого через ток и сопротивление Re. Реальная допустимая нагрузка зависит от методики производителя, спектра сигнала и охлаждения.

Возможности усилителя удобнее задавать выходным напряжением в вольтах RMS. По умолчанию установлено 32 В — выбранный ориентир для распространённой связки усилителя на TPA3255 с блоком питания 48 В. Это приблизительная отправная точка: фактические возможности конкретной платы и блока питания могут отличаться.

В поле вводится выходное напряжение сигнала. Напряжение питания усилителя туда подставлять не нужно.

Если известна только мощность, укажите также сопротивление нагрузки, для которой она заявлена. Например, 140 Вт на 4 Ом соответствуют примерно 23,7 В RMS. При сохранении такого напряжения на 8 Ом получится около 70 Вт. Поэтому надпись «140 Вт» без указания нагрузки мало что говорит о возможностях усилителя.

Поле «Нагрузка для ватт» используется только для пересчёта паспортной мощности в напряжение. В дальнейшей модели учитывается частотный импеданс динамика. Реальная мощность в катушке не равна автоматически мощности, написанной на усилителе.

Левый блок показывает предел в условно очень большом закрытом ящике. Воздушная пружина такого ящика практически не мешает движению, а тыльное излучение изолировано.

Ограничение усилителя здесь отключено. Результат определяют Xmax и допустимая мощность катушки. Рядом показано, какое напряжение потребовалось бы для достижения этого уровня.

Это ориентир для сравнения. Он относится именно к модели большого ящика: в отдельных случаях конечный объём за счёт изменения резонанса может дать большую отдачу на выбранной частоте при том же ограничении мощности.

Правый блок учитывает выбранный объём и ваш усилитель. Для каждого объёма программа находит допустимый уровень сигнала до первого из трёх ограничений:

В обычном режиме автоподбор ищет наименьший объём, позволяющий получить максимальный доступный SPL на опорной частоте. Если возможностей усилителя и катушки хватает, динамик использует весь Xmax. Если не хватает — программа показывает достижимый результат и ограничивающий фактор.

Подобранный объём — отправная точка для вашего решения. Его не нужно воспринимать как обязательный размер будущего корпуса.

Если калькулятор предлагает огромный ящик, уменьшите объём и посмотрите, сколько громкости действительно теряется. Может оказаться, что значительное увеличение корпуса даёт лишь небольшую прибавку предельного SPL.

Если именно в вашем расчёте уменьшение объёма втрое отнимает всего несколько десятых децибела, есть смысл спросить себя: нужны ли эти десятые ценой настолько большого корпуса? В другом случае потери окажутся существенными — ползунок позволяет увидеть разницу.

Иногда разумнее выбрать усилитель с большим доступным напряжением и током, чем строить огромный шкаф. Это помогает, когда ограничивает именно усилитель, а по ходу и нагреву ещё остаётся запас. Если уже достигнут Xmax или предел катушки, дополнительная мощность проблему не решит.

При увеличении корпуса SPL может перестать расти: например, когда весь допустимый ход уже используется. При этом тот же результат иногда удаётся получить с меньшим напряжением и меньшим нагревом. Дополнительный объём может облегчать работу системы даже без прибавки максимальной громкости.

Красный индикатор означает, что соответствующий предел достигнут. Показанный SPL уже ограничен им. Зелёный цвет означает, что по этому параметру остаётся запас.

При движении ползунка допустимый сигнал каждый раз пересчитывается. После ручных изменений кнопка «Подобрать объём» возвращает автоматически найденный вариант.

Результат «97 дБ на 30 Гц» не означает, что вся музыка ограничена громкостью 97 дБ.

Калькулятор показывает возможности на одной частоте. На более высоких частотах для того же давления требуется меньший ход. Если потолок именно по Xmax составляет 97 дБ на 30 Гц, то при том же предельном ходе геометрический потолок будет около 106 дБ на 50 Гц и 118 дБ на 100 Гц. Ограничения усилителя и катушки могут уменьшить эти значения.

Кроме того, разные частоты в записи присутствуют на разных уровнях. В музыке с живыми инструментами составляющая на 30 Гц может быть значительно тише основного баса. Тогда полный запас на 30 Гц останется невостребованным: раньше возникнет ограничение в другой части полосы или вы просто не захотите прибавлять громкость.

Режим «Учесть типичный спектр живой музыки» позволяет сознательно обменять часть запаса глубокого баса на меньший корпус.

Для расчёта принимается сценарий, в котором составляющая на 30 Гц звучит на 6 дБ тише составляющей на 50 Гц. При выборе опорной частоты между 30 и 50 Гц эта поправка постепенно уменьшается; на 50 Гц и выше она не применяется.

Программа подбирает объём с учётом сниженных требований к глубокому басу и проверяет ограничения на обеих частотах. Поэтому причиной остановки может оказаться нагрузка на 50 Гц, даже если на опорной частоте ещё остаётся запас.

Такой компромисс может быть удобен для обычной квартиры, где система большую часть времени работает далеко от максимума. Если вы не планируете использовать всю доступную громкость, большой корпус ради предельной отдачи на 30 Гц может оказаться излишним.

Для кинотеатральных эффектов, тестовых сигналов и записей с мощным глубоким басом этот режим лучше отключить. Особенно если вы оборудуете отдельный кинозал или подготовленную комнату и действительно собираетесь использовать всю мощность системы.

Галочка не увеличивает допустимый ход, мощность катушки или напряжение усилителя. Она меняет требования к отдаче на глубоком басе. Музыкальные записи бывают разными, а эквализация может дополнительно увеличить нагрузку. Этот компромисс вы выбираете осознанно. Проверка двух частот также не заменяет оценку суммарного нагрева и пиков реальной записи.

В обычной комнате желание прибавлять громкость может закончиться раньше, чем возможности динамика.

Помещение меняет бас: одни частоты усиливает, другие ослабляет, а некоторые заставляет затухать слишком долго. Поэтому большой запас SPL ещё не означает, что им будет приятно пользоваться.

В музыке важны начало и окончание звука. Удар барабана или атака басовой ноты должны сохранять свою временную структуру. Если комната продолжает гудеть после окончания звука, этот шлейф накладывается на следующие звуки и ухудшает разборчивость. Расстановка, настройка и акустическая обработка здесь имеют самостоятельное значение.

В кино дополнительный низкочастотный шлейф иногда субъективно добавляет взрыву масштаба. Однако он может сделать разные эффекты похожими на один и тот же гул. В музыке это особенно заметно на ритмичных партиях: баса становится больше, а различимых деталей — меньше.

Xmax не означает, что на следующем децибеле звук внезапно исчезнет.

Это паспортная граница линейного хода, определяемая по принятой производителем методике. При дальнейшем увеличении сигнала динамик обычно продолжает двигаться, но растут нелинейности, могут появляться гармонические и интермодуляционные искажения и компрессия.

Насколько это будет слышно, зависит от динамика и записи. Некоторые искажения могут маскироваться музыкой, однако считать их заведомо неслышимыми нельзя. Поэтому калькулятор использует Xmax как понятную границу сравнения, а работу за ней не прогнозирует.

Чрезмерно маленький ящик добавляет нелинейность воздушной пружины.

При большом ходе диффузор заметно изменяет внутренний объём. Сжатие и расширение воздуха становятся несимметричными: при одинаковом изменении объёма повышение давления при сжатии больше, чем его снижение при расширении. Это создаёт дополнительную нелинейную нагрузку и может усиливать чётные гармоники, прежде всего вторую. Эффект становится существеннее, когда вытесняемый диффузором объём составляет заметную долю объёма корпуса.

Эти искажения текущая линейная модель не рассчитывает. Поэтому зелёные индикаторы означают соблюдение учтённых ограничений, но не обещают отсутствие любых искажений. Не нужно увеличивать корпус любой ценой ради абстрактного идеала, но и уменьшать его до крайности тоже не стоит.

Для нескольких динамиков вводите параметры одного экземпляра. Затем задайте количество и схему соединения. Все динамики должны быть одинаковыми и работать синфазно. Объём указывается общий для корпуса, допустимая мощность — на один динамик, напряжение усилителя — на весь набор.

При параллельном подключении каждый динамик получает полное напряжение усилителя, а требуемый суммарный ток возрастает. При последовательном напряжение делится между динамиками. Калькулятор учитывает соединение, но токовую защиту конкретного усилителя не моделирует: допустимую нагрузку нужно проверить отдельно.

Можно создать до четырёх вкладок — для разных динамиков или разных вариантов одной системы. Общая таблица показывает результаты с выбранными вами объёмами. Кнопка выгрузки сохраняет исходные параметры, результаты и принятые допущения в TXT.

Все значения SPL приведены к расстоянию 1 метр и полному пространству 4π, без усиления со стороны комнаты. Это единая расчётная база. Числа физически осмысленны внутри модели, но не являются обещанием точно такого же уровня в месте прослушивания.

Расчёт использует линейную модель закрытого ящика без утечек и заполнения. Нагрев оценивается по электрической мощности, но изменение температуры и параметров катушки со временем, компрессия и нелинейные искажения не моделируются.

Выбирайте разумный компромисс между размером корпуса, доступной громкостью, нагрузкой на усилитель и условиями прослушивания. Попробуйте несколько объёмов и оцените, за какую прибавку вы готовы платить размерами. Калькулятор помогает увидеть эту цену; окончательный результат проверяется измерениями и прослушиванием.


Как пользоваться калькулятором? Читайте подсказки за вопросительным знаком.