Параметры Тиля-Смолла: Основы и применение в акустике.

Введение

Параметры Тиля-Смолла (обычно обозначаемые как T/S параметры, или TSP) — это набор электромеханических параметров, определяющих заявленные низкочастотные характеристики динамика. Эти параметры публикуются производителями динамиков в технических спецификациях, чтобы помочь разработчикам выбирать готовые динамики для акустических систем. Используя эти параметры, разработчик акустической системы может моделировать положение, скорость и ускорение диффузора, входной импеданс и звуковое излучение системы, состоящей из динамика и корпуса. Многие параметры строго определены только на резонансной частоте, но данный подход в целом применим в диапазоне частот, где движение диффузора преимущественно поршневое, то есть когда весь диффузор перемещается вперед и назад как единое целое, без распада конуса. Вместо приобретения готовых компонентов, инженеры-конструкторы акустических систем часто определяют требуемые характеристики и, исходя из них, рассчитывают необходимые параметры, после чего изготавливают динамик с заданными свойствами или заказывают его у производителя. Этот процесс получения параметров на основе целевой характеристики известен как синтез. Параметры Тиля-Смолла названы в честь А. Невилла Тиля из Австралийской вещательной комиссии и Ричарда Х. Смолла из Сиднейского университета, которые стали пионерами в этом направлении анализа акустических систем. Распространенное применение параметров Тиля-Смолла – проектирование корпусов для PA-систем и Hi-Fi акустики; расчеты TSP позволяют специалистам по проектированию акустических систем определить необходимый объем корпуса и размеры и длину порта фазоинвертора (если он используется).

Качественные описания

Резонансная частота драйвера, измеряемая в герцах (Hz). Частота, при которой сочетание энергии, накопленной в движущейся массе, и податливости подвески максимально, что приводит к максимальной скорости движения диффузора. Более податливая подвеска или большая движущаяся масса приведут к более низкой резонансной частоте, и наоборот. Обычно менее эффективно воспроизводить частоты ниже , а входные сигналы, значительно ниже , могут вызывать большие отклонения, механически повреждая драйвер. Низкочастотные динамики (вуферы) обычно имеют резонансную частоту в диапазоне 13–60 Гц. Среднечастотные динамики (мидрейнджи) обычно имеют резонансную частоту в диапазоне 60–500 Гц, а высокочастотные динамики (твитеры) – между 500 Гц и 4 кГц. Типичный заводской допуск для значения составляет ±15%. Безразмерная величина, характеризующая комбинированное электрическое и механическое демпфирование драйвера. В электронике это величина, обратная коэффициенту демпфирования. Значение пропорционально накопленной энергии, деленной на рассеянную энергию, и определяется в точке резонанса. Большинство драйверов имеют значения в диапазоне 0,2–0,5, но существуют обоснованные (хотя и необычные) причины для значений вне этого диапазона. Безразмерная величина, характеризующая механическое демпфирование драйвера, то есть потери в подвеске (окружность и центрирующая шайба). Она изменяется примерно от 0,5 до 10, при типичном значении около 3. Высокое значение указывает на меньшие механические потери, а низкое – на большие потери. Основное влияние оказывает на импеданс драйвера, причем драйверы с высоким значением демонстрируют более высокий пик импеданса. Одним из индикаторов низкого значения является металлический каркас звуковой катушки. Они должны быть спроектированы с электрическим разрывом в цилиндре (чтобы не было замкнутого контура). Некоторые производители динамиков размещают закороченные витки в верхней и нижней части звуковой катушки, чтобы предотвратить ее выход за пределы воздушного зазора, но резкий шум, создаваемый этим устройством при перегрузке драйвера, вызывает беспокойство и воспринимался владельцами как проблема. Драйверы с высоким значением часто изготавливаются с использованием непроводящих каркасов из бумаги или различных видов пластика. Безразмерная величина, описывающая электрическое демпфирование громкоговорителя. Когда катушка провода движется в магнитном поле, она генерирует ток, который противодействует движению катушки. Эта так называемая "противо-ЭДС" (пропорциональная × скорости) уменьшает общий ток через катушку вблизи резонансной частоты, уменьшая движение диффузора и увеличивая импеданс. У большинства драйверов это основной фактор демпфирования звуковой катушки. зависит от выходного импеданса усилителя. Приведенная выше формула предполагает нулевой выходной импеданс. При использовании усилителя с ненулевым выходным импедансом его выходной импеданс следует добавить к для расчетов, включающих .

Resonance frequency of driver, measured in hertz (Hz). The frequency at which the combination of the energy stored in the moving mass and suspension compliance is maximum, and results in maximum cone velocity. A more compliant suspension or a larger moving mass will cause a lower resonance frequency, and vice versa. Usually it is less efficient to produce output at frequencies below , and input signals significantly below can cause large excursions, mechanically endangering the driver. Woofers typically have an in the range of 13–60 Hz. Midranges usually have an in the range of 60–500 Hz and tweeters between 500 Hz and 4 kHz. A typical factory tolerance for the value of is ±15%. A unitless measurement, characterizing the combined electric and mechanical damping of the driver. In electronics, is the inverse of the damping ratio. The value of is proportional to the energy stored, divided by the energy dissipated, and is defined at resonance Most drivers have values between 0.2 and 0.5, but there are valid (if unusual) reasons to have a value outside this range. A unitless measurement, characterizing the mechanical damping of the driver, that is, the losses in the suspension (surround and spider). It varies roughly between 0.5 and 10, with a typical value around 3. High indicates lower mechanical losses, and low indicates higher losses. The main effect of is on the impedance of the driver, with high drivers displaying a higher impedance peak. One predictor for low is a metallic voice coil former. These act as eddy current brakes and increase damping, reducing They must be designed with an electrical break in the cylinder (so no conducting loop). Some speaker manufacturers have placed shorted turns at the top and bottom of the voice coil to prevent it leaving the gap, but the sharp noise created by this device when the driver is overdriven is alarming and was perceived as a problem by owners. High drivers are often built with nonconductive formers made from paper or various plastics. A unitless measurement, describing the electrical damping of the loudspeaker. As the coil of wire moves through the magnetic field, it generates a current which opposes the motion of the coil. This so called "Back EMF" (proportional to × velocity) decreases the total current through the coil near the resonance frequency, reducing cone movement and increasing impedance. In most drivers, is the dominant factor in the voice coil damping. depends on amplifier output impedance. The formula above assumes zero output impedance. When an amplifier with nonzero output impedance is used, its output impedance should be added to for calculations involving

Измеряется в тесла-метрах (T·m). Технически это или (векторное произведение), но стандартная геометрия круглой катушки в кольцевом воздушном зазоре дает . Также известно как "коэффициент силы", поскольку сила, действующая на катушку со стороны магнита, равна произведению на ток, протекающий через катушку. Чем выше произведение , тем больше сила, генерируемая при заданном токе, протекающем через звуковую катушку. оказывает сильное влияние на .

Измеряется в литрах (л) или кубических метрах, это обратная мера "жесткости" подвески при установке драйвера на свободном воздухе. Она представляет собой объем воздуха, который имеет такую же жесткость, как и подвеска драйвера при воздействии поршня той же площади, что и диффузор. Более высокие значения означают меньшую жесткость и, как правило, требуют больших корпусов. изменяется пропорционально квадрату диаметра. Типичный заводской допуск для составляет ±20–30%. Измеряется в граммах (г) или килограммах (кг), это масса диффузора, катушки, каркаса звуковой катушки и других движущихся частей драйвера, включая акустическую нагрузку, создаваемую воздухом, контактирующим с диффузором драйвера. является массой диффузора/катушки без учета акустической нагрузки, и эти два значения не следует путать. Некоторые программы моделирования вычисляют при вводе . может быть очень точно контролироваться производителем. Для этого параметра обычно не указываются единицы измерения, но он выражается в механических "омах". является мерой потерь или демпфирования в подвеске и движущейся системе драйвера. Это основной фактор, определяющий на которое влияют топология подвески, материалы и материал каркаса звуковой катушки. Измеряется в метрах на ньютон (м/Н). Описывает податливость (то есть обратную жесткость) подвески. Чем более податлива система подвески, тем ниже ее жесткость, и, следовательно, выше будет . пропорционально и, следовательно, имеет тот же диапазон допусков. Измеряется в омах (Ω), это сопротивление постоянному току (DCR) звуковой катушки, лучше всего измеряемое при заблокированном диффузоре, или предотвращенном его движении или вибрации, поскольку в противном случае прием окружающих звуков может привести к ненадежности измерения. не следует путать с номинальным импедансом драйвера, может быть строго контролируемым производителем, в то время как номинальные значения импеданса часто являются приблизительными. Американский стандарт EIA RS 299A определяет, что (или DCR) должно составлять не менее 80% от номинального импеданса драйвера, поэтому 8-омный драйвер должен иметь сопротивление постоянному току не менее 6,4 Ом, а 4-омный – не менее 3,2 Ом. Этот стандарт является добровольным, и многие 8-омные драйверы имеют сопротивление около 5,5 Ом, и пропорционально ниже для драйверов с более низким номинальным импедансом. Измеряется в генри (Г), это индуктивность звуковой катушки. Звуковая катушка является индуктивностью с потерями, частично из-за потерь в полюсном наконечнике, поэтому кажущаяся индуктивность изменяется в зависимости от частоты.

Measured in litres (L) or cubic metres, it is an inverse measure of the 'stiffness' of the suspension with the driver mounted in free air. It represents the volume of air that has the same stiffness as the driver's suspension when acted on by a piston of the same area as the cone. Larger values mean lower stiffness, and generally require larger enclosures. varies with the square of the diameter. A typical factory measurement tolerance for is ±20–30%. Measured in grams (g) or kilograms (kg), this is the mass of the cone, coil, voice coil former and other moving parts of a driver, including the acoustic load imposed by the air in contact with the driver cone. is the cone/coil mass without the acoustic load, and the two should not be confused. Some simulation software calculates when is entered. can be very closely controlled by the manufacturer. Units are not usually given for this parameter, but it is in mechanical 'ohms'. is a measurement of the losses, or damping, in a driver's suspension and moving system. It is the main factor in determining is influenced by suspension topology, materials, and by the voice coil former (bobbin) material. Measured in metre per newton (m/N). Describes the compliance (i. e., the inverse of stiffness) of the suspension. The more compliant a suspension system is, the lower its stiffness, so the higher the will be. is proportional to and thus has the same tolerance ranges. Measured in ohms (Ω), this is the DC resistance (DCR) of the voice coil, best measured with the cone blocked, or prevented from moving or vibrating because otherwise the pickup of ambient sounds can cause the measurement to be unreliable. should not be confused with the rated driver impedance, can be tightly controlled by the manufacturer, while rated impedance values are often approximate at best. American EIA standard RS 299A specifies that (or DCR) should be at least 80% of the rated driver impedance, so an 8 ohm rated driver should have a DC resistance of at least 6.4 ohms, and a 4 ohm unit should measure 3.2 ohms minimum. This standard is voluntary, and many 8 ohm drivers have resistances of ≈5.5 ohms, and proportionally lower for lower rated impedances. Measured in henries (H), this is the inductance of the voice coil. The voice coil is a lossy inductor, in part due to losses in the pole piece, so the apparent inductance changes with frequency.