Панель акустического сопротивления (ПАС): устройство и применение

Панель акустического сопротивления (ПАС) — это устройство для акустического демпфирования диффузора динамика, позволяющее радикально снизить акустическую добротность Q_a и, как следствие, заметно уменьшить полную добротность динамика Q_t.

Принцип действия основан на механическом (акустическом) демпфировании. Возьмите динамик и закройте его с задней стороны корпусом, в котором просверлены отверстия. На эти отверстия натяните ткань, которую для фиксации лучше приклеить к этому корпусу (см. схему слева на рис. 1). При работе динамика диффузор приводит в движение воздух. Воздух, выходящий с задней стороны диффузора, проходит через ткань, при этом часть энергии тратится на трение. Это тормозит собственные колебания диффузора, снижает время «послезвучания» и повышает качество звучания.

Рис. 1. Варианты конструкций панели акустического сопротивления

Конструкция и принцип работы ПАС

Конструкции ПАС могут быть самыми разнообразными. На схеме справа на рис. 1 представлен другой вариант: ткань «зажата» между двумя плоскими пластинами, в которых просверлены отверстия. В центральной части пластин имеется большое отверстие для магнитной системы динамика. В этой конструкции главное — уплотнить герметиком (или пластилином) щель между магнитной системой и панелью акустического сопротивления.

Важно понимать два принципиальных момента:

• Ткань должна быть непременно натянута! Если ткань будет «провисать», то воздух не будет проходить через нее, а будет лишь «трепать» эту ткань. В результате не будет тратиться энергия на трение, и ПАС не будет работать эффективно.
• Расположение. Чем ближе ПАС расположена к диффузору динамика, тем эффективнее ее работа. В этом смысле лучше всего расположить ПАС в окнах корзины динамика.

ПАС может быть применена как к низкочастотному (НЧ), так и к среднечастотному (СЧ) динамику. Однако практика показывает, что целесообразнее применение ПАС именно к среднечастотному динамику, так как ухо человека в области средних частот обладает наибольшей чувствительностью. От качества СЧ-динамика часто зависит успех всей акустической системы.

Расчет и экспериментальное определение параметров

В литературе часто встречаются рекомендации, что суммарная площадь отверстий ПАС должна составлять примерно 30% от площади диффузора. На практике эти рекомендации весьма приблизительны. Эффективность работы ПАС зависит от плотности применяемой ткани и от количества отверстий в самой панели. Рассчитать математически оптимальное количество отверстий практически нереально, поэтому оптимальный коэффициент следует определять опытным путем.

Рассмотрим эксперимент на примере среднечастотного динамика 20ГДС-1-8 (по старому ГОСТу 15ГД-11А). Этот динамик имеет резонансную частоту 120 Гц, диапазон частот 200-5000 Гц, чувствительность 90 дБ и сопротивление 8 Ом. Он применяется в акустических системах S-50 и S-90.

Для эксперимента были использованы три типа ткани:

1. Легкопроницаемая ткань (Ткань 1).
2. Ткань средней плотности (Ткань 2).
3. Плотная ткань (Ткань 3).

Панель акустического сопротивления была изготовлена из алюминиевых пластин толщиной 2 мм. В пластинах были просверлены отверстия диаметром 6,3 мм (по 8 отверстий в каждой пластине). Пластины были деформированы по форме окон корзины динамика 20ГДС-1-8. На пластины была натянута и приклеена клеем «Момент» ткань. Пластины вклеены в окна корзины, стыки и щели заделаны пластилином для герметичности.

Эксперимент проводился следующим образом: измерялась акустическая добротность Q_a в свободном пространстве, затем после установки ПАС. Далее часть отверстий заглушалась пластилином, и добротность измерялась снова. Для анализа использовался безразмерный параметр — коэффициент K_ПАС, который рассчитывается по формуле:

Где:

• K_ПАС – отношение суммарной площади отверстий ПАС к площади диффузора динамика;
• S_ПАС (мм²) – суммарная площадь отверстий ПАС;
• S_д (мм²) – площадь диффузора динамика;
• n – количество отверстий ПАС;
• d (мм) – диаметр отверстий ПАС;
• D_д (мм) – диаметр диффузора динамика.

Результаты экспериментов

На рис. 2 показаны зависимости акустической добротности динамика Q_a от величины K_ПАС для разных тканей. Для данного динамика исходная акустическая добротность в свободном пространстве составляла Q_a=8.5.

Для «Ткани 1» (легкопроницаемой):

• При K_ПАС=0.35 добротность Q_a=2.5.

• При K_ПАС=0.17 добротность Q_a=1.4.
• При K_ПАС=0.08 добротность Q_a=0.65 (оптимум).
• При K_ПАС=0.04 добротность Q_a=1.2 (рост из-за эффекта закрытого ящика).

Рис. 2. Зависимость акустической добротности Q_a динамика 20ГДС-1-8 от коэффициента K_ПАС.

Однако применение ПАС имеет и обратную сторону: оно приводит к увеличению резонансной частоты динамика. На рис. 3 видно, что при максимально сглаженном резонансном пике частота f_s3 > f_s2 > f_s1, где f_s1 — резонанс в свободном пространстве.

Рис. 3. АЧХ модуля полного сопротивления динамика 20ГДС-1-8 (15ГД-11А).

Связь параметров для «Ткани 1» (исходная f_s=120 Гц, Q_a=8.5):

• K_ПАС=0.35 → Q_a=2.5, f_s=125 Гц.
• K_ПАС=0.17 → Q_a=1.4, f_s=130 Гц.

• K_ПАС=0.08 → Q_a=0.65, f_s=135 Гц.
• K_ПАС=0.04 → Q_a=1.2, f_s=470 Гц (резкий рост частоты).

Для «Ткани 2» (средней плотности) при оптимальном K_ПАС=0.27 добротность также снижается до 0.65, но резонансная частота возрастает до 155 Гц. Для «Ткани 3» (плотной) оптимальный коэффициент K_ПАС > 0.5, поэтому данные оказались вне поля зрения стандартных графиков.

Рис. 4. Зависимость резонансной частоты динамика от коэффициента K_ПАС.

Итоги и рекомендации по применению

Подводя итоги, можно выделить следующие закономерности:

1. Оптимальный коэффициент K_ПАС зависит от плотности ткани:
   • Легкопроницаемая ткань: K_ПАС = 0.07–0.10.
   • Ткань средней плотности: K_ПАС = 0.2–0.4.
   
   • Плотная ткань: K_ПАС > 0.5.
2. Максимальное снижение добротности (до Q_a=0.65) не зависит от плотности ткани, если подобран правильный коэффициент. Снижение происходит практически на порядок.
3. Рост резонансной частоты. При оптимальном K_ПАС он незначителен. При слишком малом K_ПАС частота может вырасти в несколько раз.
4. Расчет. Математический расчет ПАС практически невозможен. Оптимальный коэффициент следует определять для конкретной ткани опытным путем.

Применение к низкочастотным (НЧ) динамикам

К НЧ-динамикам ПАС следует применять осмотрительно, так как демпфирование уменьшает резонансный пик и увеличивает резонансную частоту, что может снизить уровень низких частот. ПАС имеет смысл использовать, если НЧ-динамик имеет низкую резонансную частоту (20-40 Гц), большую массу диффузора и высокую добротность. В этом случае рекомендуется использовать легкопроницаемую ткань и коэффициент K_ПАС ≈ 0.3–0.4.

Существует проверенное решение: размещение ПАС в задней стенке ящика АС. Это позволяет сделать большую суммарную площадь отверстий, что практически не повлияет на резонансную частоту динамика. Подробнее о материалах корпуса можно узнать в статье про устранение вздутий на фанере.

Применение к среднечастотным (СЧ) динамикам

Для СЧ-динамика цель — максимальная эффективность ПАС. Нужно добиться полного сглаживания резонансного пика, чтобы задемпфировать диффузор и уменьшить время «послезвучания». Это критично при воспроизведении музыки с большим количеством инструментов. Обязательно применение герметичного бокса для СЧ-динамика. Объем бокса должен быть примерно в 5 раз больше объема воздуха между диффузором и ПАС (обычно 1.5–2.0 литра).

Замечание по конструкции

Смысл ПАС — заставить воздух проходить сквозь ткань, теряя энергию на трение. Поэтому ткань должна быть сильно натянута. Если ткань плохо натянута, воздух будет просто колыхать ее (как флаг на ветру), не проходя сквозь полотно, и эффект будет минимальным.

Часто в статьях рекомендуют закрывать окна корзины синтепоном. Это самое простое решение, но натянуть синтепон на окна корзины нереально. Эффект будет частичным, и снизить добротность на порядок не получится. Более сложный способ с изготовлением алюминиевых пластин, сверлением отверстий и натяжением ткани позволяет понизить акустическую добротность практически в 10 раз, что того стоит для качественного звука. Для настройки кроссоверов в таких системах может потребоваться правильная пайка компонентов.

Автор работы: