Доработка головок динамических и измерение их частотных характеристик

Диапазон звуковых частот, который способно воспринимать ухо человека, довольно широк, от 20 до 20000 Гц. Как видно из рис. 1[1], наибольшей чувствительностью человеческий слух обладает на средних частотах — в диапазоне от 2000 до 5000 Гц. А область с 200 до 5000 Гц является самой информативной. При проектировании и изготовлении высококачественных акустических систем особое внимание следует уделять звену, отвечающему за воспроизведение звука в зоне средних частот.

Рис. 1. Частотные характеристики ощущений громкости: 1 – характеристика порога слышимости; 2 – уровни болевых ощущений; 3 – область речевых передач; область музыкальных передач.

Известно, что наиболее слабое звено акустических систем 35АС-012 (S-90) их модификаций и других им подобным – среднечастотная динамическая головка 20ГДС-3-8 (старое название 15А-11А) имеет резкий спад выше 4,5 кГц (рис. 2), а, что практически исключает возможность получения качественного звуковоспроизведения. Второй недостаток – акустическая добротность составляет порядка 11,8. А чем выше добротность колебательной системы, тем сильнее она подчеркивает частоты, совпадающие с резонансными, или близкие к ним. Что, практически, исключает возможность получения полноценного неискаженного звучания, если не принять необходимые меры. [2].

Рис. 2. Среднечастотная динамическая головка 20ГДС-1-8 (15ГД-11А): а – АЧХ звукового давления; б) – габариты и установочные размеры.

В некоторых выпусках систем 35АС-1, предшественнице S-90, в качестве СЧ звена использовалась головка 10ГД-34 (новое название 25ГДН-1), конструктивно очень схожа с головкой 20ГДС-1-8 (рис. 2,б). Особенно широко применялась во всех модификациях S-30, 6АС-2 и других в качестве НЧ – СЧ звеньев. Отличается она от 20ГДС-4-8 наличием резинового подвеса, вместо тканевого, что утяжеляет подвижную систему динамика и способствует снижению его частоты основного резонанса, а также более мягкую центрирующую шайбу для обеспечения большего хода диффузора, что существенно для НЧ излучателя.

а	б
Рис. 3. Среднечастотная динамическая головка 25ГДН-1-8 (10ГД-34): а – общий вид; б – АЧХ звукового давления.

С целью улучшения качества звучания динамической головки 20ГДС-1 Киселев А., в своей статье «Модернизация динамической головки 20ГДС – 1» (РАДИО № 3, 1999 года, стр. 19), предложил отделить от диффузора пылезащитный колпачок и приклеить его к, выступающему из диффузора, краю звуковой катушки выпуклой стороной, т. е. перевернув его на 180º. Если разобраться, то автор статьи, по сути, оборудовал динамическую головку дополнительным диффузором, который работает на верхних частотах, тем самым расширил полосу частот, воспроизводимой головкой 20ГДС-1, до 7…8 кГц. Дополнительные диффузоры имеют многие широкополосные громкоговорители. Применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора (рис. 5) повышает верхнюю границу частотного диапазона динамика до 10-12 кГц можно. В этом случае на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его с звуковой катушкой, а в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий [3].

Рис. 5. Громкоговоритель с дополнительным диффузором.

Имея в своем пользовании акустическую систему 35АС-012, решил поступить также. Но вместо пылезащитного колпачка применить дополнительный высокочастотный рупор от динамической головки 10ГДШ-1-4 (10ГД-36К). Внутренний диаметр звуковой катушки 10ГДШ-1-4 составляет 25,7 мм, а головки 20ГДС-3-8 – 25,6 мм. Почти идеальное совпадение. Работы проводились следующим образом.

Отмачивают пылезащитный колпачок жидкостью для снятия лака с ногтей, можно растворителями 646, 647 и другими. Аккуратно извлекают его скальпелем (рис. 6, б). Помните, что из-за сильного действия поля магнитной системы на инструмент из стали, неосторожными движениями, можно повредить элементы динамика! Далее вытирают ватным тампоном, смоченным в той же жидкости для снятия лака, диффузор от клея. Промазывают клеем «Момент» нижнюю часть рупора и верхнюю часть звуковой катушки. Просушивают 10-15 минут. Опять промазываем обе детали и сразу соединяем их, прижимая с определенной силой (рис. 6, г). Рупоры у меня были новые. Но можно вышеизложенным способом извлечь их из старых динамиков (рис. 6, в). Те же действия проводят и для 25ГДН-1.

Конструкция рупора разработана для динамической головки 10ГДШ-1. Для 20ГДС-3-8 и 25ГДН-1-4 его следует подогнать. Подгонка заключается в поэтапном срезании его края, измеряя, после каждого срезания, АЧХ динамика. Операцию повторяют до тех пор пока не получат наиболее ровную кривую АЧХ в приделах средних частот. Срезав, примерно, 10 мм края рупора проводят измерения. Второе и последующие подрезания следует проводить очень аккуратно, срезая не более 3 — 1 мм (в порядке уменьшения). В итоге, боковая поверхность рупора внутри составила около 7 мм (от пылезащитного элемента колпачка до края обрезки). Обрезку исполняют маникюрными ножницами (рис. 7,б), поскольку они оказались самым приемлемым инструментом для такого вида работы, имеют миниатюрные округленные режущие поверхности. Обрезанный край, для придания жесткости, пропитывается клеем БФ-2, немного разведенным этиловым спиртом.

Измерения АЧХ производят с помощью конденсаторного микрофона (желательно измерительного), размещенного на одной оси с головкой*, в пределах 30 — 40 см,   компьютера и программы RightMark 6.2.3. Микрофон подключается к линейному входу звуковой карты компьютера, а динамик к усилителю компьютерных АС. Запускают программу RightMark 6.2.3 и проводят измерения АЧХ звукового давления [4]. Важно, что бы в усилителе регуляторы тембра были в среднем положении, а режим тонокомпенсации и корректирующие звенья отключены. Испытуемая головка размещается наиболее удаленно от стен, мебели и других предметов.

а
б
в
г
Рис. 6. Приклеивание рупорка на 15ГД-11А: а — головка динамическая 15ГД-11А в оригинальном исполнении; б — головка динамическая 15ГД-11А с извлеченным пылезащитным колпачком; в — головка динамическая широкополосная 10ГДШ-1-4 (10ГД-36К), высокочастотные рупорки; г — головка динамическая 15ГД-11А с рупорком.

 

а
б
в
Рис. 7. Формирования рупора головки динамической 25ГДН-1-4: а – процесс срезания; б – измерение высоты стенки; в – вид на этапе завершения.

Такая доработка не только позволила расширить полосу частот, воспроизводимых головками 20ГДС-4-8 и 25ГДН-1-4, до 10 кГц (рис. 8), но и избавится от структурных призвуков в результате деформаций пылезащитного колпачка.

а
б
Рис. 8. Амплитулно-частотные характеристики доработанных головок: а – 20ГДС-4-8; б – 25ГДН-1.

Для снижения добротности применяют акустическое демпфирование головки с помощью ПАС. Демпфирование головок звукопоглощающим материалом менее результативно и, к тому же, способствует повышению резонансной частоты. С целью повышения эффективности действия ПАС на подвижную систему, работающей в акустическом оформлении головки, демпфирующею ткань следует располагать как можно ближе к диффузору. Наиболее рационально устроить ПАС в отверстиях диффузородержателя. Для этого, из плотного картона толщиной, примерно, 2 мм вырезают восемь одинаковых элементов (рис. 9, а). Общая площадь отверстий для головки 15ГД-11А должна составлять 22…28 см². Одну сторону каждого элемента смазывают клеем момент. Через 5 минут наклеивают на натянутую, с помощью пяльцев для вышивания, хлопчатобумажную ткань. Через 30 минут ткань обрезают вокруг элементов. Элементы ПАС слегка изгибают и вклеивают в окна дифузородержателя (рис. 9. б). Места склейки дополнительно промазывают клеем [5]. Важно, что бы ткань в отверстиях элементов была натянута, в противном случае эффекта от применения ПАС не будет! Применение ПАС, т.е. акустического демпфера, позволяет затормозить собственные колебания диффузора, в результате существенно снизится время «послезвучания» и заметно повысится качество звучания динамика.

а
б
Рис. 9. Головка 15ГД-11А: а — элемент ПАС; б — ПАС в окнах диффузородержателя.

Демпфирующее действие ПАС для головки динамической 15 ГД-11А графически представлено на рисунке 10.

Рис. 10. Демпфирующее действие ПАС для головки 15ГД-11А.

Эффективность применения ПАС было проверено сотрудниками Бердского радиозавода. В частности, были измерены коэффициенты гармоник среднечастотной головки 15ГД-11А с ПАС и без ПАС. Результаты измерений, приведенные в таблице 1, показывают, что ПАС позволяет значительно снизить коэффициент гармоник в частотном диапазоне, в котором человеческое ухо обладает наибольшей чувствительностью.

Таблица 1. Коэффициенты гармоник головки 15ГД-11А.

Частота, Гц	Коэффициент гармоник, %
250	1,5	0,6
400	2	1,1
630	1,5	1,1
1000	1,1	1,0
2000	1,5	1,2
4000	0,6	0,5

По изложенному методу ПАС рекомендуется применять для любых головок, работающих в СЧ диапазоне. А для НЧ динамиков – в задней стенке ящика, для закрытого оформления, и в окнах фазоинвертора, для фазоинверторного [7]. Особых расчетов для изготовления ПАС не существует. Производители современной акустики плотность материалов, сечение окон и т. п. подбирают экспериментальным путем.

В заключение, подвесы головок, для восстановления эластичности, пропитывают аэрозолем «Кондиционер и натяжитель приводных ремней».

После такой доработки существенно увеличился частотный диапазона до 10 кГц (!), улучшились линейность АЧХ звукового давления и, самое главное, качество звучания акустической системы в целом.

При измерениях АЧХ громкоговорителей к микрофону предъявляются особые требования. Он должен иметь широкий частотный диапазон, не уже 30 – 18000 Гц, «гладкую» АЧХ,     небольшие размеры мембраны.

Самые высокие электроакустические параметры имеют конденсаторные микрофоны, и в этом их основное преимущество по сравнению с другими разновидностями микрофонов. Частотная характеристика конденсаторного микрофона отличается своей равномерностью. В диапазоне до резонанса мембраны неравномерность может быть очень малой, выше резонанса она несколько увеличивается. Вследствие малой неравномерности характеристики конденсаторные микрофоны используют как измерительные. Измерительные микрофоны изготовляют на диапазон частот от 20 – 30 Гц до 30 – 40 кГц с неравномерностью 1 дБ до частоты 10 кГц и не более 6 дБ свыше 10 кГц. Размеры капсюля такого микрофона берут в приделах 6 – 15 мм, из-за этого он практически не направлен до частоты 20 – 40 кГц. Чувствительность его не превышает – 60 дБ.

Микрофонный капсюль Panasonic WM61 [8] идеально подходит для использования его, в качестве измерительного.

Подключать капсюль напрямую через микрофонный вход ПК, используя, для его работы фантомное питание, не советуется, из-за большой вероятности наводок и шумов, пониженной чувствительности, что негативно скажется на качестве измерений. Микрофон должен подключаться к аудиовходу материнской платы через согласующее звено –   микрофонный предварительный усилитель.

Изготовить своими руками такое устройство (рис. 11) совсем не сложно. Оно состоит из, помещенного в трубку, длиной 20 см, микрофонного капсюля диаметром 6 мм, микрофонного усилителя на ОУ ОРА2134, отличающимся высокими характеристиками, химического источника питания, напряжением 9 вольт, типа «Крона».

а
б
в
г
Рис. 11. Микрофон измерительный: а – вид со стороны светодиода; б – вид со стороны капсюля; в – вид со стороны линейного выхода; г – общий вид.

Схема электрическая принципиальная измерительного микрофона взята из источника [9]. После некоторых изменений имеет вид, представленный на рис. 12. Конденсатор С3 заменен пленочным (К-73, К-78 или другой, рекомендованный для установки в сигнальные цепи звуковых устройств). Налаживание усилителя сводится к подборке светодиода, который обеспечивал бы спад напряжения до 2 вольт на участках указанных в схеме на схеме.

Рис. 12. Схема электрическая принципиальная.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита размерами 55 х 20 мм — рис. 13. Проектирование и печать выполняется на ПК с использование программы Sprint Layout 6.0.

а
б
Рис. 13. Печатная плата: а – вид со стороны дорожек; б — размещения деталей.

Все это монтируется в металлический корпус — для экранирования схемы — рис. 14.

Рис. 14. Расположение элементов в корпусе

Подключают измерительный микрофон к линейному входу звуковой карты ПК через экранированный кабель с двумя жилами. Экран провода подключается с одной стороны – стороны звуковой карты, это также положительно сказывается на точности измерений – рис. 15.

Рис. 15. Схема соединительного шнура.

Данная конструкция имеет широкий диапазон рабочих частот, относительно высокую чувствительность, ровную АЧХ, «слышит» звуки на большем расстоянии, по сравнению, например, с микрофоном МКЭ-3. Замеры можно производить почти с любой, слышимой ухом человека, дистанции, а это важно при тестировании не только одной головки, а всей акустической системы (систем), например в помещении или салоне автомобиля. Микрофон успешно испробован с программой Right Mark 6.2.3. Представленные на рисунках 3 и 8 графики АЧХ звукового давления динамиков построенные с помощью этой программы.

Примечание. С целью устранения негативного влияния акустического короткого замыкания на итоги измерений, головки 20ГДС-1-8 и 25ГДН-1-4 следует помещать в бокс с открытой задней стенкой, снаружи и изнутри покрытого звукопоглощающим материалом. Динамик монтируют на переднюю панель снаружи. В противном случае воздух, резонирующий в отверстии под головку, будет вносить искажения. На графике АЧХ это проявляется в виде пиков и провалов.

Печатная плата микрофона измерительного в формате .lay:

[hidepost]Скачать[/hidepost]

Литература

1. Козюренко Ю. Высококачественное звуковоспроизведение. \\ М. : Радио и связь, 1993.
2. Марченко В. Доработка динамической головки 15ГД-11А. – Радио, №7, 2013.

1. Сапожков М. Акустика. Учебник для вузов. \\ М., «Связь», 1978.

4. Марченко В. Доработка динамических головок и измерение их частотных характеристик. \\ Радио, №2, 2014.
5. Марченко В. Доработка динамических головок и измерение их частотных характеристик. \\ Радио, №2, 2014.
6. Марченко В. Модернизация АС 35АС-012 (S-90). \\ Радио, №8, 2014.
7. Молодая Н. Акустическое демпфирование громкоговорителей. \\ Радио, №4, 1969.
8. https://dl.dropboxusercontent.com/u/87298597/blog/em06_wm61_a_b_dne.pdf
9. http://audiogarret.com.ua/viewtopic.php?f=15&t=7866#p135608]

Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина