Про добротность

Продолжаю серию статей по основным параметрам динамиков, и сегодня говорим о добротности. Предыдущие статьи про резонансную частоту, ссылка на вторую часть в первой.

Начнем с очевидного. Добротность динамика – это не про то, насколько качественно он сделан:) Возможно, этот параметр самый непонятный, но, тем не менее, он очень важен. Не зная его, сказать что-то вразумительное о динамике будет невозможно.
У многих я спрашивал, что же такое добротность, и абсолютное большинство людей, будучи не первый день в автозвуке, как-то неуверенно говорили про колокольчики, про соотношение упругих и вязких сил, про ширину резонансной полки… А дополнительные вопросы вообще вводили народ в тупик:) В общем, нужно немного прояснить эту тему, потому что параметр реально важный. И у меня нет целостного представления о Д., поэтому буду перелопачивать информацию, и свои выводы напишу здесь, в максимально читабельной форме. Постараюсь, по крайней мере:). Если найдете неточности – буду благодарен за правки в комментах. Поехали!

Если говорить простыми словами, добротность — это история про затухающие колебания. Про то, как именно динамик ведет себя после устранения возмущающей силы (прекращения сингнала).
Посмотрим определение добротности в википедии:
Добротность — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. Обозначается символом Q от англ. quality factor.
А теперь давайте разбираться: что в динамике отвечает за запасы энергии, а что за потери.
Очевидно, что запасать энергию могут подвесы: Подвес диффузора и центрирующая шайба — это пружины, которые стремятся вернуть подвижку в первоначальное состояние.
А вот с потерями все не так очевидно) Есть механические потери (Qms), сюда входят потери на трение в подвесах, затраты энергии на звукоизвлечение и т.д. Но этот компонент не доминирует в общей картине, главную скрипку играет электрическая добротность (Qel или Qes). Среднее значение механической добротности для низкочастотного динамика от 2 до 10.
В моторе динамик происходит следующая интересная штука: проводник (катушка), двигаясь в магнитном поле вырабатывает ЭДС, то есть, работает не как двигатель, а как генератор. Обычно динамики подключены к усилителю, а у них (у усей) мизерное сопротивление. Получается, что когда сигнал от усилителя исчезает, а динамик «на ходу» – он работает как генератор, причем с максимальной нагрузкой (выходы катушки практически закорочены). Эта нагрузка создает достаточно мощную тормозящую силу, вынуждающую катушку и дифузор быстро остановиться.
Среднее значение электрической добротности для низкочастотного динамика от 0,2 до 0,9. Сравните это с типовыми значениями механической добротности, и станет очевидно, что гашение колебаний (потери энергии) происходят преимущественно из-за электрической составляющей.
Электрическая и механическая добротности складываются друг с другом и в итоге получается полная добротность – именно этот параметр мы используем для расчетов оформления. Кстати складываются они не просто суммой, а формулой, аналогичной сопротивлению при параллельном включении. Qts=Qes*Qms/( Qes+Qms)
Делаем вывод: чем мощнее у динамика мотор (при прочих равных), тем меньше будет добротность. Поэтому на сверхмощных сабах ставят по нескольку жестких центрирующих шайб, иначе добротность упадет ниже плинтуса:)

С запасами и потерями энергии вроде разобрались. Теперь определимся с конкретными значениями.
Высокая добротность – это когда потери малы, а энергии в подвесах запасено много и колебания продолжаются после исчезновения возмущающей силы. Причем это не абы какие колебания, а именно колебания на частоте резонанса головки. И чем выше добротность, тем точнее эти колебания попадают именно в резонансную частоту.
Низкая добротность – потери велики, и при исчезновении сигнала колебания сразу же затухают. У такого динамика нет склонности выделять какую-то определенную частоту.
Логично предположить, что для динамика подойдет именно низкая добротность! Нам не нужно, чтобы после окончания сигнала динамик сам по себе продолжал что-то доигрывать (и всегда на одной и той же ноте:) . Важно понимать, что высокодобротный динамик не будет продлевать короткие ноты, он к любому возмущению будет добавлять бубнеж на своей частоте резонанса. Оттого звук становится окрашеным, с постоянным монотонным гулом — ну, я думаю, все знают, как звучат дешевые компьютерные бубнелки:) А нам важно чтобы дин воспроизвел именно тот сигнал, который на него отправили, без импровизаций и самодеятельности.
И слишком низкой добротность тоже быть не может, потому что упругость – неустранимый и важный аспект динамика. Как вы себе представляете дин без упругих подвесов?
Выделяют два особых значения добротности.
1) Q=0,577 функция Бесселя, характеризуется минимальными временными задержками.
2) Q=0,707 Баттервота, максимально гладкая АЧХ
Добротности ниже 0,5 ведут к искажениям, выше 1 – явно появляется вброс АЧХ на частоте резонанса.

От чего зависит добротность?
Сейчас будет повторение вышенаписанного текста, только на этот раз зайдем с другой стороны) Так что можете или пролистать, или проверить себя.
Мощность мотора. Чем мощнее мотор, тем ниже добротность при прочих равных.

Жесткость подвеса. Чем больше жесткость, тем больше энергии запасается в подвесах, тем выше добротность.
Масса подвижки. Как мы знаем, низкая добротность – показатель мощного мотора. А увеличение массы как бы делает усилия мотора «менее заметными», а потери на трение наверное должны подрасти. Выходит, мотор как бы стал менее мощным, оттого добротность растет при увеличении массы подвижки. Проверяем: два замера одного и того же динамика. Первый замер — динамик как есть, второй замер с дополнительным грузиком на диффузоре. Смотрим: упал резонанс (логично), добротность возросла.

Как влияют провода? Если провода обладают существенным сопротивлением, то они будут увеличивать добротность, так как нагрузка на «генератор» в лице динамика падает. Вот тестовый замер 4Ом динамика и того же самого динамика, подключенного через 4Омный резистор. Добротность возросла с 1,1 до 2,3. Причем изменилась именно электрическая добротность. Вывод: провода должны иметь минимальное сопротивление. Открыл Америку, блин))
И еще, чем меньше сопротивление катушки, тем большее влияние оказывает сопротивление проводов! Как видим, для этого четырехомного дина добротность возрасла больше чем вдвое, 6 омный поднял добротность примерно на 70%

Как влияет акустическое оформление? Объем воздуха в ЗЯ работает как дополнительная воздушная пружина, следовательно жесткость колебательной системы растет, добротность растет. В ФИ то же самое, но в ФИ есть два горба импеданса и соответственно две добротности: одна от ящика, другая от динамика. За резонанс динамика ответственен второй горб, и он смещается вверх (частота резонанса выше, чем у динамика в свободном поле), и добротность его тоже растет, так как сказывается «подпорка воздухом» ящика. Первый горб зависит от ящика, и у него тоже можно определить добротность с помощью аудиотестера. Не знаю, насколько это корректно, но результаты нескольких измерений получились весьма интересные. Добротности обоих горбов высоки в дешевых и плохозвучащих системах (значения добротности от 2 до 4), и +-0,7 на обоих горбах в дорогой фазоинверторной акустике. По логике так и должно быть).
В ЧВ к диффу как бы прикрепляется масса воздуха в туннеле, оттого итоговая добротность растет.
Во фри, ОЯ, БЭ и прочих существенно меняться добротность не должна.
Для себя я сделал следующий вывод, и думаю, что он правильный: мы должны получить итоговую добротность всех резонансов в пределах 0,57-0,7. Вне зависимости, какое оформление мы выбрали.
Как видим, все акустические оформления в лучшем случае не меняют добротность, а в большинстве случаев существенно ее поднимают. Поэтому нам нужны низкодобротные динамики с добротностями от 0,3 до 0,7. Для того, чтобы возросшая в оформлении частота составила нужные нам 0,7.
Но, с этим связана некоторая подстава:) 99% дешевых и легкодоступных динамиков высокодобротные. Даже не то, чтобы высокодобротные, а ппц какие высокодобротные! Я говорю про бюджетную автомобильную акустику, про динамики, устанавливаемые в компьютерные колонки, в музыкальные центры, в бюджетные системы 5:1, в бумбоксы всякие. Я много чего перемерил, систем 20 точно, и НИ РАЗУ не встретил динамик с собственной добротностью меньше 1. А в оформлении совсем беда будет…
Не знаю, почему так делается, то ли на магнитах экономят и не могут в рамках бюджета сделать мощный мотор, то ли специально делают так, чтобы в ущерб качеству «долбило» лучше (а долбить оно будет реально сильнее, и на любой композиции одинаково: в частоту резонанса).
А может это тонкий маркетинговый ход, вынуждающих тех, кто слышит разницу, платить вместо 5000р за колоночки 50 000+?:)

Как измерить добротность?
Есть 2 самых доступных варианта: "ручками" или программой.
Замер программой: нужен ноут и специальный переходничек, позволяющий соединить звуковуху с динамиком. Ничего сложного, там 2 миниджека для входа в комп, 2 крокодильчика для подключения динамика, один резистор и провода:) Видео о том, как мерить

и как калибровать:

Программа в открытом доступе, инструкции есть, и не только мои, многие про аудиотестер писали и снимали.
Если лень паять переходник – пишите в личку, готов соорудить и отправить куда-нибудь;)

Сравнивал этот способ с заморской приблудой под названием Dats – показания идентичны. Абсолютно. Есть одна принципиальная разница: замер на датсе это секунда, а на аудиотестере – порядка минуты.
Для замера руками нам нужен усилитель, резистор, генератор (подойдет любой телефон, ноут или даже плеер с набором синусов) и мультиметр (или вольтметр на крайний случай). Алгоритм замера описывать не буду, в интернете полно достаточно качественных описаний процесса. Хочу отметить, что сабы лучше замерять именно так, потому что внешний усилитель позволяет снять параметры, когда динамик выходит на некий ход. Подвесы растягиваются и динамик замеряется «в боевых условиях». При замере от компа сигнал минимален, и смещения мизерны. Жесткость подвеса в нулевой точке может несколько отличаться от жесткости при некотором смещении, оттого может набежать погрешность. Ну, это для достижения максимальной точности, и аудиотестер показывает весьма правдивые значения даже на двухомных двенашках.
Думаю, хватит) Еще можно много писать, но основные аспекты вроде осветили
.
З.Ы. А еще, добротность есть не только у динамика, но и у фильтров второго и более высокого порядков:)