Из высшего ценового сегмента уже давно перестали быть простыми колонками, эдакими коробками, издающими звук с помощью пары динамиков. Инженеры из года в год ухищряются, превратив индустрию и каждое устройство в небольшое произведение искусства, которое не каждому дано повторить. Появились новые типы динамиков, новые способы вывода звука, изменение мощности и амплитуды, и так далее и тому подобное. Со временем появилась целая многокомпонентная структура, описывающая разные типы акустических систем. Собственно, об этом и пойдет речь в нижеизложенном материале.
Категоризация акустических систем
Итак, для начала разберемся в базовых аспектах в том, какие бывают а уже потом выясним, что они собой представляют и чем друг от друга отличаются.
Существуют следующие типы акустических систем:
- Полочные и напольные системы. Из названия понятно, что отличаются они по принципу установки в помещении и по своему размеру.
- Также акустические системы отличаются по количеству полос (по сути, количеству динамиков) - от одной до семи.
- Существуют динамические, электростатические, планарные и другие акустические системы, в зависимости от конструкции динамиков, которая может вовсе не попадать ни под одну категорию (все зависит от фантазии инженеров).
- В зависимости от акустического оформления корпусов, колонки делятся на системы с открытым корпусом, закрытым корпусом, с фазоинверторным оформлением, с акустическим лабиринтом и так далее.
- Также колонки делятся на пассивные и активные , в зависимости от наличия в них встроенного усилителя звука.
Однополосные и многополосные акустические системы
Однополосные оснащаются одним-единственным излучателем, а так как настроить один излучатель на хорошее воспроизведение всех частот сразу невозможно, производителям приходится использовать сразу несколько по-разному настроенных излучателей.
Существуют также 2-х полосные акустические системы (также 3-х, 4-х). В таких системах устанавливаются два излучателя. Один берет на себя воспроизведение низких и средних частот, а второй воспроизводит только высокие частоты. За счет такого подхода в 2-х полосных акустических системах достигается идеальный баланс звучания, невозможный при использовании единственного динамика (даже если он очень хороший). Звучания таких колонок обычно достаточно для людей неискушенных, не владеющих более продвинутыми системами, но есть и более приемлемые варианты, например, 3-полосные системы. 3-х полосные акустические системы делят сразу все три типа частот между собой. Один излучатель занимается воспроизведением низких частот, второй - высоких, третий - средних. 3-х полосные акустические системы встречаются чаще остальных, так как именно благодаря такой конструкции достигается высочайшее качество воспроизведения слышимых человеческим ухом частот.
Пассивные и активные акустические системы
Активные и пассивные системы различаются наличием интегрированного усилителя мощности в конструкции самих колонок.
Активные колонки имеют такой усилитель, поэтому их можно напрямую подключить к предварительному усилителю с помощью межблочного кабеля, а каждая отдельная колонка питается от электросети без подключения дополнительных источников питания.
Пассивные колонки хоть и сложнее в устройстве, все же встречаются гораздо чаще и находятся в приоритете у пользователей, которые ценят качественный звук. Такие колонки подключаются к усилителю мощности через специализированный разделительный фильтр. Подключение происходит с помощью акустических проводов. Многие производители (фирмы) акустических систем предпочитают производство именно таких колонок, так именно они приносят большую прибыль и позволяют инженерам воплотить в жизнь свои идеалы звучания. Помимо определенных сложностей в установке, есть и проблема финансовая, ведь хороший усилитель и акустические кабели стоят немалых денег, а без них такую систему не «заведешь».
Рупорные акустические системы
Это особый тип акустических систем. Их особенностью является имеющаяся над излучателем рупорная установка. Преимущество таких колонок заключается в высокой чувствительности динамиков. Это делает их идеальным дополнением для недорогих и маломощных ламповых усилителей, неспособных дать их обладателю достаточную громкость. Такие акустические системы требуют грамотного размещения в помещении, где планируется их эксплуатация, но если потратить на это какое-то время, то можно достичь наиболее реалистичной и насыщенной стереокартины.
Электростатические акустические системы
Такие системы отличаются своей необычной конструкцией. Вместо классических динамиков используется пленка из токопроводящего материала, которая вытягивается по вертикали вдоль колонки. Принцип работы следующий: на пленку подается звуковой сигнал на определенной частоте, а на расположенные по бокам проводники подается постоянное напряжение (в некоторых случаях наблюдается обратный порядок, когда постоянное напряжение подается на токопроводящую пленку). Между пленкой и проводниками создается электростатическое поле, на которое накладывается переменное поле. Из-за этого возникают колебания пленки, которая и воспроизводит звуковое излучение. Звучание таких акустических систем отличается высокой детализацией, ясной передачей каждой отдельной частоты. Музыка кажется более свободной и открытой. Из минусов стоит выделить недостаточное количество басов, которые не могут передать всей глубины, особенно когда речь идет о таких жанрах, как хип-хоп или трэп.
Система центрального канала
В качестве конечно) используются комплекты из 5 колонок и одного сабвуфера. Это классическая система, зарекомендовавшая себя и использующая большинством любителей хорошего звука. Ключевым элементом этой системы является центральная колонка, которая воспроизводит диалоги в кино и основные музыкальные фрагменты. Такая колонка устанавливается прямо по центру. Некоторые пользователи используют ее в акустических системах для компьютера, так как смотря кино именно на нем.
Фронтальная и тыловая акустические системы
Фронтальная система представляет собой классическую пару колонок, создающих эффект стерео. Такие колонки нередко формируют полноценную (так как обычно больше ничего и не нужно). Если речь идет о домашнем кинотеатре, то между двумя фронтальными колонками (или же под телевизором) ютится колонка центрального канала. Опираясь на фронтальную пару колонок, нужно собирать остатки акустической системы 5.1, так как именно они воспроизводят основной массив звуков.
Тыловая часть системы - это две небольшие колонки, расположенные позади зрителей. Их использование необязательно, но они всегда идут в комплекте с акустическими системами 5.1 для достижения максимального погружения в атмосферу воспроизводимых фильмов. Если звуковая дорожка фильма поддерживает технологию звукового окружения, то некоторые события и сцены в фильме будут воспроизводить звук только на тыловых колонках (такое встречается, когда кто-то крадется позади героя фильма). При использовании акустических стоек можно внедрить эту систему и в компьютерную акустику.
Сабвуфер
Это отдельная колонка, которая способна воспроизводить только низкие частоты и бас. Часто используется вместе с парными колонками и дополняет акустическую систему для компьютера, так как фронтальные колонки не могут справиться со всем диапазоном звучания. Сабвуфер привносит баланс в акустическую систему. Визуально сабвуфер выглядит так же, как и обычная колонка, но в нем устанавливается один массивный излучатель в открытом виде. Сабвуфер устанавливается в угол комнаты или под компьютерным столом. Из-за этого, кстати, нередко страдают соседи.
Полочные и напольные акустические системы
Такие акустические системы еще можно назвать настольными и напольными (или компьютерными и для домашних кинотеатров). Полочные колонки занимают гораздо меньше пространства и при этом гораздо меньше весят, а значит, их можно установить повыше. Например, в случае если вы собираете аудиосистему для дома, которая будет подключаться к телевизору (для создания глубины звучания), можно поставить полочные колонки даже на шкаф (это обеспечивает максимальный охват площади). Для выведения максимального потенциала из таких компактных колонок их обычно устанавливают на специальные акустические стойки.
Напольные системы куда лучше подходят для больших помещений (их часто называют акустическими системами для кинотеатров). В них устанавливаются более крупные динамики, а их количество варьируется от одного до семи. Установка таких колонок в маленьком помещении может спровоцировать чрезмерное усиление низких частот и сильно заметный гул. Напольные системы гораздо дороже полочных и требуют от конструкторов намного большего внимания в расчетах при их создании.
Акустические системы с фазоинвертором
Фазоинвертор - это отверстие в корпусе, от которого идет труба во внутреннюю часть колонки. Благодаря такой конструкции акустика может воспроизводить низкие частоты, недоступные для стандартных колонок без фазоинвертора. При конструировании колонки инженеру необходимо выбрать диаметр и длину трубы в соответствии с частотой, которую должен воспроизводить будущий В момент, когда происходит воспроизведение музыки, объем воздуха в трубе фазоинвертора резонирует и усиливает воспроизведение той частоты, на которую изначально был настроен диаметр трубы. Размер самой колонки не имеет значения, фазоинвертор встраивается как в огромные аудиосистемы для дома, так и в компактные наушники. Труба для вывода воздуха может выходить в любую часть колонки или наушника, но от этого будет зависеть положение колонки в помещении (труба не должна быть заслонена чем-либо).
Акустические системы с акустическим лабиринтом
По своей сути акустический лабиринт - это тот же фазоинвертор. Разница заключается в том, что труба, уходящая в корпус, имеет множество изгибов, и длина ее гораздо больше. Задача трубы та же - усиление громкости и насыщенности звучания низких частот. К сожалению, такие колонки гораздо дороже вариантов с обычным фазоинвертором, так как их производство занимает намного больше времени и при этом требует от инженеров особой точности, да и материалы стоят дороже. Так же как и в случае с фазоинверторными колонками, размер выводящего звук устройства может быть любым, но в наушниках вы такой системы не встретите.
Закрытые и открытые акустические системы
Некоторые фирмы акустических систем производят колонки открытого типа. Акустическое оформление таких колонок отличается отсутствием задней стенки. Благодаря этому у диффузоров появляется некоторая свобода. Такой подход обеспечивает звучание близкое к электростатическим audio-акустическим системам.
Существуют и закрытые акустические системы. Собственно, отличаются они именно тем, что в их корпусах нет никаких отверстий. Такой подход делает звучание более "упругим". Это происходит из-за того, что воздуху некуда выходить, движение диффузора становится скованным. Чтобы избежать негативного эффекта от подобной конструкции, колонки такого типа делают очень большими, чтобы у диффузора появилось больше свободы для движения. Большим плюсом подобных систем является отсутствие каких-либо излишних шумов, треска и иже с ними.
Акустические системы с пассивным излучателем
Пассивный излучатель выполняет ту же задачу, что и фазоинвертор, к примеру. Он необходим для того, чтобы обеспечить нормальное звучание низких частот. В подобных колонках нет никаких труб. В колонке просто проделывается отверстие, а внутрь устанавливается пассивный динамик (динамик без магнитной системы, построенный на базе одного диффузора, подвеса и рамы). Преимуществом пассивного излучателя является возможность воспроизводить бас и любые, даже самые низкие частоты. Такие типы акустических систем очень ценны и требуют недюжинного мастерства инженеров.
В обзорах и тестах мы уделяем большое внимание описанию акустических систем. Если подумать, то ничего удивительного в этом нет. Прекрасно понимая важность качественного источника звука и усилителя в стереосистеме или в домашнем кинотеатре, мы все же уверены, что наибольшее влияние на звуковые характеристики аудиокомплекса оказывают именно колонки. Они являются последним звеном в сложной цепи преобразования комбинации нулей и единиц, из которых состоит запись на компакт-диске, в механические колебания воздуха, которые мы и называем звуком. Чем корректнее колонки справляются со своей задачей, тем более качественный звук мы слышим. Впрочем, вопрос «качества звука» - весьма спорный, поскольку качество - понятие субъективное. Вернемся к этому вопросу несколько позже, а для начала познакомимся с основными конструктивными особенностями современных акустических систем (АС). Кроме того, в данном материале мы хотим разобраться с таким интересным вопросом, как направленность акустических систем различной конструкции, и какой из них отдать предпочтение для решения той или иной задачи.
Прежде чем перейти к описанию конструкции акустических систем, необходимо разобраться с терминологией, чтобы не возникало путаницы в дальнейшем. Итак, полный акустический преобразователь, предназначенный для излучения звука в окружающую среду и состоящий из динамических головок, акустического оформления, разделительных фильтров и прочих электрических устройств, мы будем называть акустической системой, звуковой колонкой или громкоговорителем. Обратите внимание на последнее название. В английском языке термином «loudspeaker», т. е. «громкоговоритель», принято называть полную акустическую систему, в то время как в отечественной литературе этим словом частенько называли отдельные динамические головки. Сами динамические головки принято называть также драйверами или динамиками. Этих же терминов будем придерживаться и мы в нашем описании.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ
На сегодняшний день в мире существует множество разнообразных конструкций громкоговорителей, базирующихся на самых различных физических принципах излучения звука (электростатические, плазменные, пьезокерамические и пр.). К рассказу об экзотических конструкциях громкоговорителей мы постараемся вернуться в одном из последующих выпусков V&A, сегодня же сосредоточим наше внимание на самых распространенных акустических системах - с электродинамическими катушечными преобразователями.
Задачей электродинамической акустической головки является, как вы знаете, преобразование электрических импульсов в механические колебания диффузора динамика, которые становятся источниками распространения звуковых волн.
Принцип действия электродинамического преобразователя прост, как все гениальное. Переменный электрический ток, проходя через звуковую катушку, является источником переменного магнитного поля, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с полем постоянного магнита. Результатом этого взаимодействия становится появление силы, которая приводит в движение звуковую катушку, жестко соединенную с диффузором динамика.
Основными элементами электродинамической головки являются диффузор с пылезащитным колпачком и гибким подвесом, звуковая катушка, магнитная система, диффузородержатель (корзина) и центрирующая шайба.
Подробное описание перечисленных элементов конструкции электродинамического драйвера проведем для низкочастотной головки, а затем рассмотрим нюансы, характерные для средне- и высокочастотных динамиков.
Диффузор
Задача диффузора электродинамической головки очень важна - он приводит в движение массы воздуха, его перемещение вызывает появление распространяющейся в пространстве звуковой волны. При этом диффузор должен обеспечивать отсутствие нелинейных искажений, вызываемых изгибными волнами на его поверхности, и максимально линейную амплитудно-частотную характеристику в рабочем диапазоне. Большинство диафрагм в современных низкочастотных динамиках имеют форму конуса (их так и называют - конические). Впрочем, форма обычного конуса с прямолинейной образующей оказалась малоподходящей для производства НЧ динамиков, поскольку такие диффузоры не обладают устойчивостью к появлению изгибных волн. Действительно, для обеспечения необходимого уровня звукового давления на низких частотах требуется, чтобы диффузор претерпевал значительные смещения в пространстве (±10 мм, а иногда и больше). При таких значительных смещениях поверхность диффузора начинает изгибаться, а при повышении частоты края диафрагмы просто не успевают смещаться вслед за перемещением звуковой катушки, вследствие чего рабочая поверхность диффузора ограничивается небольшой центральной областью. Для того чтобы избежать этих двух напастей (сужение эффективной поверхности излучения диффузора и появление изгибных волн на поверхности), производители очень тщательно относятся к разработке формы поверхности излучателя. В частности, используются диффузоры в форме конуса с образующими в виде дуги окружности, а также с другими, еще более сложными конфигурациями. Благо современные методы математического моделирования позволяют достаточно точно рассчитать оптимальную форму излучателя. Главное, чтобы в результате она оказалась не слишком сложной для производства. Многие применяют конусы с переменным сечением стенок (толщина диафрагмы больше в центре и уменьшается к краям), снабжают диафрагмы специальными ребрами жесткости (радиальными или концентрическими) и естественно тщательно подбирают материалы для их производства.
О материалах, кстати, хотелось бы рассказать чуть подробнее. С самого начала при производстве диафрагм динамических головок использовали бумагу со специальными пропитками. Надо сказать, что натуральная длинноволокнистая целлюлоза до сих пор остается одним из самых популярных материалов. Естественно, называть такие диффузоры бумажными сегодня уже не совсем корректно, поскольку в них помимо специальной пропитки, повышающей жесткость, долговечность и влагозащищенность целлюлозной массы, часто применяются различные добавки, такие, как волокна льна, углестекловолокно, графит и даже металл. В общей сложности «бумажный» диффузор громкоговорителя может содержать до 15 различных добавок, призванных улучшить его физические свойства.
Звуковая катушка
Звуковые катушки современных динамиков являются достаточно технологичными изделиями, хотя на первый взгляд ничего сложного в них нет. Однако это только на первый взгляд. Начав разбираться, понимаешь, что все не так просто, как хотелось бы.
Во-первых, звуковая катушка должна иметь высокие характеристики температурной стабильности. Это особенно важно в мощных системах, где при звуковоспроизведении выделяется большое количество тепла. Нагревание может привести к механическому разрушению катушки, поэтому при их производстве применяются специальные термостойкие клеи и лаки. Кроме того, нагрев, как известно из школьного курса физики, изменяет электрическое сопротивление провода, которым намотана катушка. Изменение сопротивления естественно приводит к нарушению рассчитанных для магнитной системы параметров, что воспринимается на слух как искажения в воспроизводимом звуке. Для того чтобы снизить нагрев звуковых катушек применяют, как мы уже упоминали, специальные массивные металлические пылезащитные колпачки, а также делают вентилируемые каркасы, в которых для улучшения теплоотвода сверлят специальные отверстия. Еще одним способом охлаждения служит заполнение магнитного зазора специальной ферромагнитной жидкостью, но об этом мы расскажем чуть позже, в пункте, посвященном магнитной системе.
Звуковые катушки наматываются проводом круглого или прямоугольного сечения. Количество слоев намотки, как правило, 2 или 4. Прямоугольное сечение провода в принципе более предпочтительно, поскольку позволяет сделать намотку максимально плотной, а, следовательно, увеличить эффективность взаимодействия катушки с постоянным магнитом. Однако же с увеличением плотности намотки ухудшается охлаждение звуковой катушки, а, следовательно, нарушается температурная стабильность. В результате производители вынуждены искать компромисс, подбирая оптимальное сочетание параметров. Вообще, говоря отвлеченно от технических деталей, нужно признать, что производство высококачественных акустических систем - это постоянный поиск компромисса между соблюдением ряда взаимоисключающих условий. Некоторые из них мы уже упомянули, а некоторые будут упомянуты в дальнейшем. Искусство разработчика заключается в поиске оптимального решения этой сложнейшей задачи с рядом переменных, влияющих друг на друга. Однако вернемся к звуковым катушкам. Естественно, что их температурную стабильность можно увеличить, используя для намотки провод большего сечения, а, следовательно, и с лучшей теплоотдачей. Впрочем, такое решение подходит только для мощных акустических систем, поскольку неизбежно увеличит общую массу подвижной системы, что, как мы уже говорили, крайне негативно сказывается на характеристиках воспроизводимого звука.
Помимо температурной стабильности звуковой катушки производители динамиков стремятся также соблюсти пространственную однородность магнитного поля в зазоре. Дело в том, что при больших амплитудах перемещения диффузора катушка может частично выходить из магнитного зазора в продольном направлении, попадая при этом в область нестабильного магнитного поля. Для предотвращения этого многие производители стремятся сделать катушку максимально короткой, а зазор максимально длинным (естественно, при сохранении минимально возможной толщины).
Магнитная система
Магнитная система динамической головки призвана создавать постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с переменным полем, создаваемым током, проходящим через звуковую катушку. В большинстве современных динамических головок применяются кольцевые магниты, имеющие форму тора. Естественно, что для увеличения эффективности работы электродинамического преобразователя необходимо, чтобы магнитная система создавала максимально возможную напряженность магнитного поля в зазоре. Для этого разрабатываются высокоэффективные магнитные материалы (в частности в последнее время получили широкое распространение магниты на основе сплава неодим-железо-бор). Как мы уже говорили, для того, чтобы сохранить линейные частотные характеристики в широком диапазоне подводимой мощности, катушки необходимо хорошо охлаждать. Вместе с тем увеличение воздушного зазора между катушкой и магнитной системой нежелательно, поскольку это снижает эффективность их взаимодействия. Для решения этой проблемы магнитный зазор иногда заполняют специа
ьной ферромагнитной жидкостью, которая представляет собой вязкую суспензию с помещенными в нее магнитными частицами. Ферромагнитная жидкость обладает существенно большей теплоемкостью по сравнению с воздухом и, следовательно, позволяет гораздо эффективнее охлаждать звуковую катушку.
Не стоит забывать и о том, что в современных системах домашнего кинотеатра акустические системы зачастую работают в непосредственной близости от экрана телевизора. Магнитное поле динамика может вызывать искажения на экране. Для того чтобы избежать этого отвратительного явления, акустические системы центрального канала (как расположенные ближе всего к телевизору), а зачастую и все остальные громкоговорители, включая сабвуфер, снабжают магнитным экранированием, т. е. помещают магнитную систему в специальную «колбу», изготовленную из экранирующего материала, либо же включают в систему дополнительный магнит обратной полярности, который гасит магнитное поле основного магнита.
Диффузородержатель
Диффузородержатель, как следует из названия, представляет собой конструкцию, несущую всю систему динамической головки. За характерный внешний вид диффузородержатели получили также и другое название - корзина. К широкой части корзины при помощи подвеса крепится подвижная часть драйвера, а к узкой - магнитная система. Естественно, корзина динамика должна вносить минимальный вклад в воспроизведение звука, поэтому ее конструкция должна быть жесткой и эффективно гасить возникающие резонансы. Кроме того, ребра жесткости диффузородержателя должны быть максимально тонкими, чтобы свести к минимуму отраженную от них звуковую волну. При несоблюдении этого условия отраженная волна будет оказывать существенное влияние на работу динамической головки, увеличивая общую упругость системы и, следовательно, снижая эффективность электродинамического преобразователя.
Центрирующая шайба
Последним из упомянутых нами в начале статьи элементом динамика является центрирующая шайба. Основной функцией центрирующей шайбы является четкое позиционирование звуковой катушки в зазоре. Она должна обеспечить строго поступательное движение катушки, поскольку малейший перекос может привести к ее заклиниванию в магнитном зазоре. Центрирующая шайба должна обладать линейными характеристиками упругости во всем диапазоне смещения диффузора и, как правило, представляет собой гофрированную поверхность, имеющую синусоидальный профиль.
Среднечастотные динамики
Все, о чем мы говорили до сих пор, справедливо в первую очередь для динамиков, предназначенных для воспроизведения низких частот. Впрочем, основные элементы конструкции СЧ и ВЧ динамиков точно такие же. Разница заключается в конструктивном исполнении.
Разработка и конструирование среднечастотных динамиков является, наверное, одной из важнейших задач при производстве акустической системы. Во-первых, именно на область средних частот приходится большая часть воспроизводимого звука. Во-вторых, человеческий слух обладает наибольшей чувствительностью именно в среднечастотном диапазоне. Наконец, нельзя не отметить, что именно к среднему частотному диапазону относится человеческий голос (по крайней мере большая часть из его тембров). Последнее обстоятельство крайне важно учитывать, ведь человек слышит голос в реальной жизни постоянно, и наш мозг прекрасно научился анализировать все мельчайшие нюансы его звучания. Малейшее несоответствие, и человек, даже не считающий себя профессиональным ценителем классной аудиотехники, почувствует фальшь, а, следовательно, удовольствие от прослушивания будет испорчено.
Конструкция СЧ динамиков в целом аналогична низкочастотникам, за исключением того, что они, как правило, имеют меньшие геометрические размеры диафрагмы (это позволяет расширить диаграмму направленности в верхней части воспроизводимого диапазона). Большинство среднечастотников имеют конусообразную диафрагму, хотя иногда применяются и купольные динамики (как правило, для озвучивания верхней части среднечастотного диапазона), которые имеют более широкую характеристику направленности в области высоких частот и могут иметь как жесткие диафрагмы, изготовленные из алюминиевой бериллиевой или титановой фольги, так и мягкие, выполненные из шелка, целлюлозы, полипропилена и т. д.
Высокочастотные динамики
В последнее время с появлением и успешным развитием цифровых форматов записи звука требования, предъявляемые потребителями, а, следовательно, и производителями, к высокочастотным динамикам существенно возросли. Мы связываем это в первую очередь именно с развитием цифровых технологий, поскольку раньше, когда были распространены только записи на магнитной ленте, частотный диапазон фонограмм был ограничен сверху значениями 12-15 кГц. Выше не помогали никакие, даже самые продвинутые системы (включая пресловутую систему динамического подмагничивания HX Pro фирмы Dolby). Сейчас ситуация кардинально изменилась. Обычный компакт-диск без проблем обеспечивает звуковой сигнал в диапазоне 20-20 000 Гц, а если вспомнить про современные форматы высокого разрешения SACD и DVD-Audio, то и гораздо выше.
При изготовлении ВЧ-динамиков (твитеров) в подавляющем большинстве случаев используются купольные мембраны. В этом нет ничего удивительного, поскольку куполообразная форма обеспечивает более широкую диаграмму направленности по сравнению с конусом. Впрочем, на самых высоких частотах характеристика направленности в любом случае представляла бы собой узкий луч, если бы ее не расширяли искусственно при помощи звуковых рассекателей, устанавливаемых перед твитером, либо специального оформления высокочастотника в виде акустической линзы.
Несмотря на разительные внешние отличия, конструкция твитера во многом совпадает с низко- и среднечастотниками. Следует отметить, что подвес диффузора в них выполняется из того же материала, что и сам диффузор. Кроме того, в высокочастотниках отсутствует центрирующая шайба. Вследствие малых амплитуд колебаний подвижной системы такое решение представляется вполне оправданным.
Диафрагмы твитеров можно условно разделить на два класса - мягкие и жесткие. Жесткие купола изготавливаются обычно из фольги «крылатых» металлов (алюминий, титан и пр.). Мягкие же диафрагмы могут быть выполнены из ткани (как правило, шелка) со специальной пропиткой полипропилена и т. д. Интересно, что для придания мягким купольным твитерам необходимых физических свойств многие производители идут на крайне дорогостоящую процедуру осаждения из паровой фазы на его поверхность частиц бора, бериллия, золота и даже алмаза.
АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
| Итак, теперь мы более или менее представляем себе устройство динамических головок громкоговорителей и, понимаем, на какие ухищрения приходится идти производителям для того, чтобы повысить качество звуковоспроизведения, а, следовательно, доставить нам с вами максимум удовольствия от прослушивания. Однако, взяв отдельный динамик (пускай даже самого высокого качества) и подключив его к усилителю, мы обнаружим, что его звучание ужасно! В нем абсолютно отсутствуют привычные нам тембры и низкочастотные составляющие. Объяснение этого вопиющего факта заключается в том, что динамическая головка излучает не только вперед, но и назад. Если перед диффузором при его колебательном движении образуется зона сжатия воздуха, то позади него обязательно возникнет зона разрежения, и наоборот. При достаточно высоких частотах (т. е. при длинах звуковой волны существенно меньших геометрических размеров диффузора) звуковая волна не успевает обогнуть диафрагму за один период колебания, и ничего плохого со звуком не происходит. Однако при уменьшении частоты длина волны становится сравнима с диаметром диффузора и прямая и обратная волна, суммируясь, гасят друг друга (для диффузора диаметром 20 см частота, на которой начинает происходить это явление, составляет порядка 1 кГц). Данный эффект называется акустическим коротким замыканием и для настоящего аудиофила имеет последствия не менее катастрофические, чем короткое замыкание в домашней электросети. К счастью, данная проблема имеет достаточно простое решение, а именно, необходимо физически изолировать переднюю и заднюю поверхности диффузора. Для этого динамическую головку можно, к примеру, закрепить в стенке ящика, что собственно и делается в традиционных акустических системах. Этот «ящик», или если следовать правильной терминологии, «корпус» громкоговорителя принято называть акустическим оформлением. Простейшим видом акустического оформления является герметично закрытый корпус акустической системы. Этот вид так и называется «закрытый корпус». Такая система отличается простотой конструкции и отменными переходными характеристиками (хорошей атакой и четкими акцентами), которые обусловлены высокой упругостью колебательной системы диффузор - внутренний объем корпуса. При всех своих преимуществах подобное акустическое оформление имеет и ряд недостатков. Одним из них является снижение эффективности работы громкоговорителя. Надо сказать, что электродинамический преобразователь и так крайне малоэффективное устройство (в лучшем случае в звуковую мощность удается преобразовать лишь около 3 % подводимой электрической мощности - остальное превращается в тепло). В закрытом же корпусе эта эффективность еще ниже, поскольку энергия, излучаемая обратной стороной диффузора, просто теряется. Кроме того динамик, помещенный в закрытый корпус, представляет собой колебательную систему с достаточно высокой резонансной частотой. При воспроизведении звука ниже этой частоты уровень звукового давления резко падает. Естественно, что значение резонансной частоты громкоговорителя сильно зависит от внутреннего объема его корпуса, но для озвучивания низкочастотной области этот объем должен быть очень большим, что неприемлемо для большинства людей в силу эстетических соображений. Другая возможность добиться воспроизведения глубокого баса от закрытых акустических систем заключается в существенном усилении уровня низкочастотного сигнала по сравнению со средне- и высокочастотной составляющими. В традиционных стерео и кинотеатральных комплектах выполнение данного условия практически невозможно, а вот в активных акустических системах (т. е. громкоговорителях с собственными встроенными усилителями) вполне может быть реализовано. В частности, по такому принципу работают активные полочные акустические системы марки ATC - одни из лучших полочных мониторов, которые нам когда-нибудь доводилось слышать. В более массовых акустических системах (да и не только в массовых, если уж быть до конца честными) производители вынуждены искать способ снижения нижней резонансной частоты громкоговорителя и увеличения его эффективности. Такое решение было найдено давно - еще в 30-е годы прошлого столетия, и имя ему фазоинвертор. Про фазоинверторное акустическое оформление в специализированной прессе сказано очень много - хорошего и плохого, по делу и не совсем. Мы не будем вдаваться в детали (в конце концов, для этого в нашем журнале регулярно публикуются масштабные тесты акустических систем), а просто констатируем факты. Во-первых, фазоинвертор позволяет реально повысить отдачу громкоговорителя в области низких частот. Во-вторых, более 90 % акустических систем, ориентированных на домашнее (не профессиональное) применение, имеют акустическое оформление типа «фазоинвертор», и не считаться с этим обстоятельством было бы по меньшей мере глупо. Итак, что же представляет собой фазоинвертор? А представляет он собой обычное отверстие (порт), соединяющий внутренний объем корпуса громкоговорителя с внешним миром. В этот порт обычно вставляют кусок трубы, который позволяет увеличить объем воздуха, участвующего в процессе инвертирования фазы звуковой волны. Фазоинвертор является, по сути, простейшим акустическим резонатором, т. е. представляет собой колебательную систему с упругим элементом, роль которого играет воздух в трубе. На определенных частотах в этой колебательной системе появляется резонанс, причем параметры фазоинвертора рассчитываются таким образом, чтобы резонансная звуковая волна излучалась в той же фазе, что и прямая волна, излучаемая диффузором. Иными словами, это нехитрое устройство производит инверсию (обращение) звуковой волны, которая излучается тыльной стороной диффузора. Фазоинвертор позволяет снизить значение нижней граничной частоты громкоговорителя и усилить звуковое давление на низких частотах за счет суммирования прямой волны, излучаемой фронтальной поверхностью диффузора и обратной волны, «обращенной» фазоинвертором. |
|
| Достоинства фазоинверторных акустических систем следуют из приведенных выше рассуждений. При одинаковых размерах они способны воспроизводить гораздо более низкие частоты по сравнению с АС в закрытом корпусе. К недостаткам фазоинверторных конструкций можно отнести ухудшение переходных характеристик в области частот, на которые настроен фазоинвертор. Поскольку фазоинвертор является акустическим резонатором, то контролировать излучаемый им звук достаточно трудно. На слух это воспринимается как ухудшение детальности, т. е. более размытое звучание низких частот. Еще одним минусом фазоинверторных конструкций являются нелинейные звуковые искажения, вызванные турбулентными завихрениями воздуха, «выдуваемого» из порта. Для того, чтобы минимизировать этот эффект, производители придают выходным раструбам специальную форму, а также наносят на их поверхность специальные канавки, препятствующие возникновению воздушных завихрений. Частным случаем фазоинверторного акустического оформления можно считать громкоговорители с пассивным излучателем (такие конструкции, к примеру, очень любит американская компания Boston Acoustics). Вместо того чтобы вставлять в порт фазоинвертора трубу, он просто закрывается еще одним излучателем, аналогичным основному низкочастотнику, но лишенным звуковой катушки и магнитной системы. Настройка резонансной частоты такой конструкции осуществляется производителем путем изменения массы пассивного излучателя. Как правило, в акустических системах используется один порт фазоинвертора, но в отдельных моделях применяются двух- и даже трехпортовые конструкции. В зависимости от конструкции порт фазоинвертора выводится на переднюю или на заднюю панель громкоговорителя. В отдельных случаях порт фазоинвертора направлен вниз - в этом случае производитель предусматривает специальную подставку, обеспечивающую необходимый воздушный зазор между корпусом АС и полом. |
|
РАСПОЛОЖЕНИЕ ДИНАМИКОВ НА КОРПУСЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ
Мы уже имели возможность убедиться, что динамические головки, предназначенные для воспроизведения низких, средних и высоких частот, имеют ряд конструктивных отличий. Эти отличия не позволяют (по крайней мере за приемлемые деньги) изготовить электродинамический преобразователь, способный качественно воспроизводить звук во всем слышимом частотном диапазоне. В связи с этим в конструкции акустических систем применяется несколько динамиков, каждый из которых отвечает за свою область воспроизводимых частот. Для того чтобы оградить динамики от сигналов с частотой, на воспроизведение которой они не рассчитаны, а также скорректировать фазовые сдвиги между ними, в конструкции акустических систем применяют разделительные фильтры. Впрочем, подробно останавливаться на их конструкции в данном материале мы не будем.
Акустические системы с фронтальным расположением динамиков
Традиционным считается расположение динамиков в ряд на фронтальной панели акустической системы. На первый взгляд это решение представляется самым очевидным. Казалось бы, где же еще располагаться динамикам, как не на панели, направленной к слушателю? Все правильно, но не совсем. Впрочем, об этом чуть ниже…
Итак, что же происходит с характеристиками направленности звука, излучаемого акустической системой, с традиционным фронтальным расположением динамиков. На самом деле однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку на разных частотах направленность такой акустической системы тоже будет различной.
На низких частотах длина звуковой волны существенно превышает размеры динамиков, как, впрочем, и корпуса акустической системы. В связи с этим звук колонки с фронтальным расположением диффузоров на низких частотах будет очень слабо направленным. Диаграмма направленности является практически круговой. Кстати, именно с этим обстоятельством связано то, что сабвуфер в кинотеатральной системе можно помещать практически в любой точке комнаты прослушивания. Частоты, на которых он работает, не дают остро выраженной диаграммы направленности, и локализовать их источник на слух невозможно.
С увеличением частоты длина звуковой волны уменьшается, и диаграмма направленности вытягивается во фронтальном направлении. На высоких частотах звук можно считать остро направленным во фронтальном направлении (тонкими эффектами, такими, как боковые лепестки диаграммы направленности, а также дифракционные явления мы, в наших рассуждениях пренебрегаем), причем чем выше частота, тем более острую направленность имеет звучание.
При воспроизведении звука повышенная направленность акустических систем имеет определенные преимущества. В частности, она позволяет существенно повысить пространственное разрешение виртуальных звуковых источников, позволяет минимизировать отражения от стен комнаты прослушивания, т. е. делает звуковые образы более четкими, позволяя провести их точную локализацию в трехмерном пространстве. Все это, конечно, очень здорово в теории, но на практике далеко не так волшебно. Во-первых, качественную звуковую картину сможет получить только слушатель, сидящий строго в одной из вершин пресловутого стереотреугольника (речь идет о 2-канальном воспроизведении), т. е. на пересечении акустических осей громкоговорителей. При минимальном отклонении от этой точки звуковая картина будет серьезно нарушена. Естественно, что о прослушивании музыки или просмотре кинофильма в компании речь уже не идет.
Вот почему производители стараются различными методами расширить диаграмму направленности на высоких частотах. Для этих целей могут применяться специальные акустические рассекатели, устанавливаемые перед ВЧ-динамиком, либо специально разработанные оформления твитера в виде рупора или же звукового волновода. Данные ухищрения позволяют стабилизировать направленность на высоких частотах и управлять ее шириной в соответствии с пожеланиями производителей.
Не стоит забывать и о том, что динамики акустической системы, расположенные в ряд на ее фронтальной панели, представляют собой некое подобие антенной решетки, которая также имеет определенные характеристики направленности излучения. Если мы говорим о традиционных громкоговорителях, где динамики расположены в ряд один над другим, то такой громкоговоритель имеет выраженную характеристику направленности по вертикали, но при этом слабо направлен по горизонтали. Это, кстати, как нельзя лучше укладывается в требования THX к акустическим системам в домашнем кинотеатре, в соответствии с которым громкоговорители должны иметь строгую направленность в вертикальном направлении, чтобы минимизировать влияние звуковых отражений от пола и потолка и при этом иметь широкую дисперсию по горизонтали. Однако в домашнем кинотеатре, как вы знаете, необходима акустическая система центрального канала, которую большинство производителей предпочитает делать горизонтальной. Это существенно упрощает инсталляцию колонки (обычно под или над телевизором), но приводит к нежелательному результату с точки зрения акустики. Динамики такой колонки, расположенные в ряд горизонтально, излучают звук, слабо направленный по вертикали, но с выраженной характеристикой направленности по горизонтали. С точки зрения THX подобное поведение абсолютно недопустимо, поэтому центральный канал по версии лаборатории Джорджа Лукаса должен быть вертикальным, таким же, как и фронтальная стереопара. Если быть более точным, то в соответствии с этими требованиями все 5 акустических систем в домашнем кинотеатре должны быть одинаковыми, но это уже тема совершенно другой статьи.
К счастью, вертикальное расположение корпуса АС - не единственная возможность стабилизировать диаграмму направленности центрального канала. Здесь на помощь могут прийти все те же рупоры и звуковые волноводы, а также специальное расположение динамиков (многие производители выносят ВЧ динамик в отдельный корпус, который размещается в верхней части горизонтальной АС центрального канала).
Коаксиальные излучатели
Другой возможностью стабилизировать диаграмму направленности является конструирование так называемых коаксиальных звуковых излучателей, т. е. динамиков, в которых вуфер и твитер расположены на одной оси и звук излучается практически из одной точки. Несмотря на явные преимущества подобной схемы, акустических систем, в которых бы она применялась, не так много, и связано это в первую очередь с трудностями реализации коаксиальной электродинамической головки. Наибольших успехов в их производстве добились английские компании Tannoy и KEF, причем именно KEF наиболее активно популяризирует принцип коаксиального звукового излучателя, который имеет фирменное название UniQ. Модуль UniQ на сегодняшний день используется практически во всех акустических системах, выпускаемых компанией, за исключением бюджетных линеек. Уникальность его конструкции заключается в том, что коаксиальные средне- и высокочастотник собраны на одной магнитной системе, при этом диффузор вуфера выполняет роль акустического рупора для расположенного в его центре твитера. Согласитесь, идея очень оригинальная и, как показали многочисленные тесты, проводившиеся экспертами нашего журнала, работоспособная. В частности, акустические системы KEF, оснащенные модулем UniQ, обладают исключительными пространственными характеристиками воспроизводимого звука. Помимо улучшения характеристики направленности коаксиальное размещение динамиков дает еще одно преимущество, позволяет избежать фазовой задержки между сигналами, излучаемыми разными динамиками. Эта задержка происходит из-за того, что динамики расположены на разной высоте, а, следовательно, звуковые волны, излучаемые ими, преодолевают разные расстояния на пути к точке прослушивания. Кстати, некоторые компании специально изготавливают фронтальные панели акустических систем наклонными. Это позволяет минимизировать разницу расстояний между различными динамиками и точкой прослушивания.
Биполярные АС
Биполярные громкоговорители представляют собой «сдвоенные» акустические системы, в которых имеется 2 комплекта динамиков, расположенных на фронтальной и тыловой панелях и воспроизводящих звук в одной фазе. Подобное расположение динамиков позволяет получить практически круговую диаграмму направленности на низких и средних частотах. Характеристика направленности биполярных АС на высоких частотах имеет форму восьмерки.
Таким образом, биполярные АС позволяют воспроизводить практически ненаправленное, так называемое диффузное звучание, которое при определенных условиях неплохо подходит, например, при озвучивании тыловых каналов в домашнем кинотеатре. В частности, при невозможности выделить под домашний кинозал акустически обработанную комнату больших размеров, ненаправленный звук тыловых биполярных АС можно признать оптимальным, поскольку он обладает меньшей привязкой к акустическим системам и меньше подвержен вредному влиянию отражений от стен и потолка. Эти отражения распределяются равномерно по различным направлениям распространения звука и выражены не очень явно.
Дипольные АС
Дипольными акустическими системами называются такие громкоговорители, которые имеют излучатели на фронтальной и тыловой панелях, но работают они при этом в противофазе. К дипольным АС относятся плоские панели, электростатические и электромагнитные АС, а также специально сконструированные электродинамические колонки. Диаграмма направленности дипольных громкоговорителей, как на низких и средних, так и на высоких частотах, имеет форму восьмерки. Эти акустические системы эффективно излучают звук во фронтальном и тыловом направлении. По бокам же прямая и обратная волны гасят друг друга, и звук практически отсутствует.
Дипольные громкоговорители хорошо подходят для применения в небольших помещениях или при установке в непосредственной близости от стен. Поскольку их звук практически не распространяется в боковом направлении, то такая конструкция позволяет свести к минимуму отражения от боковых стен комнаты прослушивания.
Очень необычную конструкцию дипольной акустической системы предложила знаменитая датская компания JAMO, в своей новейшей разработке - акустической системе JAMO Reference 909. Проведя серию весьма логичных рассуждений, специалисты компании пришли к выводу, что одним из основных препятствий на пути к качественному звуку является корпус громкоговорителя, который обладает собственной резонансной частотой, а также склонен к появлению вибраций, негативно сказывающихся на параметрах звуковоспроизведения. В результате этих рассуждений на свет появилась колонка, в которой производители обошлись вообще без корпуса. Как следует из наших предыдущих рассуждений, у акустической системы без корпуса должны непременно возникнуть проблемы с воспроизведением низких частот, поскольку на них будет происходить акустическое короткое замыкание. Для того чтобы воспроизводить бас, несмотря на это неприятное явление, конструкторы R909 применили два гигантских низкочастотника диаметром 380 мм каждый, которые обладают большими ходами диффузора и способны перемещать весьма значительные воздушные массы. Кроме того, динамик должен обладать очень высокой чувствительностью, и это требование также было выполнено. В результате конструкторам JAMO R909 удалось добиться качественного и точного воспроизведения баса в акустике открытого типа, отказавшись при этом от «вредоносного» с их точки зрения корпуса и получив все преимущества дипольной акустической системы, одним из которых является отсутствие звукового излучения в боковом направлении. Это позволяет свести к минимуму отражения от боковых стен, а, следовательно, нарисовать более четкую и сфокусированную звуковую картину.
Омниполярные АС
| Помимо перечисленных выше типов акустических систем с диаграммами направленности той или иной формы на рынке аудиотехники присутствуют громкоговорители, которые имеют совершенно ненаправленное звучание, т. е. круговую диаграмму направленности на всех частотах. Например, компания MIRAGE является поклонницей так называемых омниполярных громкоговорителей, в которых применяются динамики с вертикальной акустической осью. На оси динамиков устанавливаются специальные симметричные акустические рассекатели, поэтому звуковая волна, отражаясь от них, равномерно распространяется по кругу в горизонтальной плоскости. Другой интересный тип акустических систем с круговой диаграммой направленности - это так называемые контрапертурные громкоговорители, о которых мы расскажем чуть подробнее. Вообще говоря, контрапертурный принцип построения акустических систем был разработан в России. Были изготовлены даже несколько «ходовых» образцов, которые можно было увидеть на «камерных» выставках типа «Российского хай-енда» и более массовом «Hi-Fi Show». Однако серьезное развитие контрапертурный принцип получил только сейчас, когда за их выпуск принялась итальянская компания Bolzano Villetri. Итак, в чем же заключается основная идея этих необычных громкоговорителей? Суть ее такова: два одинаковых СЧ/НЧ динамика, помещенные каждый в своем корпусе, располагаются так, чтобы излучающие поверхности их диффузоров смотрели друг на друга. Акустическая ось динамиков при этом вертикальна. На каждый из двух громкоговорителей подается один и тот же звуковой сигнал, который заставляет их совершать колебания, причем эти колебания происходят в фазе. Излучаемые динамиками звуковые волны встречаются в пространстве между ними и вызывают симметричную деформацию воздушного столба, которая приводит к абсолютно ненаправленному в горизонтальной плоскости излучению звука. В качестве аналогии здесь можно привести камень, брошенный в воду и расходящиеся от него круги. Если посмотреть на картину распространения звука контрапертурных АС в горизонтальной плоскости, то она будет точно такая же. Помимо низких и средних частот акустические системы должны воспроизводить высокие, и именно с их направленностью, как мы уже говорили, связаны наибольшие конструктивные трудности. В данном случае разработчики предложили достаточно простое, но оригинальное решение. Два одинаковых твитера помещаются в пространстве между контрапертурными СЧ/НЧ динамиками, причем их излучающие поверхности направлены уже противоположно. Таким образом, диффузоры низкочастотных громкоговорителей, имеющие коническую форму, выполняют роль акустических рассекателей для твитеров, и излучаемые высокие частоты также имеют круговую диаграмму направленности. Что получает слушатель от применения контрапертурных акустических систем? Во-первых, их звук, являясь ненаправленным, имеет одинаковые частотные характеристики для любого направления распространения. Это значит, что для качественного прослушивания нет необходимости усаживаться строго на пересечении звуковых осей громкоговорителей. В любой точке комнаты характеристики звука будут одинаковыми. Во-вторых, не стоит забывать про отражения от стен помещения. При применении традиционных акустических систем мы имеем следующую ситуацию: звук, излучаемый громкоговорителем, имеет хорошую частотную характеристику во фронтальном направлении и гораздо более проблемную под углом к акустической оси (это связано с тем, что высокие частоты распространяются в основном во фронтальном направлении, а при отклонении от него в звучании начинают преобладать низкочастотные составляющие). Поскольку боковые стены помещения отражают именно этот «проблемный» звук, то результирующая звуковая картина в месте прослушивания будет складываться из «хорошего» прямого звука и «плохого», обедненного на верхах, отраженного. Без специальной акустической обработки помещения результат может вполне заставить разочароваться в качестве даже самых высококлассных АС. В контрапертурных «одинаково направленных» АС звук, пришедший к слушателю напрямую и отраженный от стен, имеет более близкие характеристики, поскольку в данном случае на формирование АЧХ отраженной волны оказывает влияние только частотная характеристика поглощения боковых стен. |
В данный момент сложно указать на какие-либо специфические особенности звучания контрапертурных АС Bolzano Villetri. Мы обязательно остановимся более подробно на этих необычных колонках в ближайших тестах нашего издания. Предварительные прослушивания этой акустики продемонстрировали очень комфортное и естественное, хотя и немного непривычное звучание.
Итак, мы рассмотрели наиболее распространенные типы направленности акустических систем. На вопрос, какой из этих типов подойдет именно вам, мы не можем дать однозначный ответ. С точки зрения пространственной достоверности воспроизведения, вероятно, выигрывают традиционные акустические системы с фронтальными динамиками, а также дипольные громкоговорители. Они позволяют наиболее точно передавать пространственные эффекты, заложенные в фонограмму звукорежиссером, не привнося в нее ничего от себя. Стоит, однако, отметить, что все это справедливо только для специально оборудованных и подготовленных помещений прослушивания. В обычной жилой комнате результат спрогнозировать сложно. Биполярные акустические системы хорошо подходят в качестве тыловых каналов в домашнем кинотеатре в небольшом или неподготовленном помещении. Они имеют более равномерную направленность и создают позади слушателя распределенную звуковую картину. Иногда это то, чего не хватает для получения максимального эффекта присутствия, т. е. того, ради чего мы и покупаем многоканальные звуковые системы. Контрапертурная акустика с круговой диаграммой направленности создает равномерное и комфортное звучание. Она в меньшей, чем другие типы АС, степени зависит от акустических характеристик комнаты прослушивания.
Как бы то ни было, мы не ставили перед собой задачи дать в этой статье «рецепты» правильного звучания. Мы просто надеемся, что она поможет вам правильно формулировать вопросы и четко ставить цели, которых вы хотите добиться при построении домашней аудиосистемы. Дальше, что называется, дело техники. Удачи!
Страница подготовлена по материалам сайта http://www.shop.danceguitar.ru/
Адрес администрации сайта:
НЕ НАШЕЛ, ЧТО ИСКАЛ? ПОГУГЛИ:
Питер Мэпп
Выбирая акустическую систему для конкретного применения, следует учитывать множество факторов – механических, климатических, эстетических, акустических и электрических. Два последних можно объединить вместе под общим названием – электроакустические параметры. Именно под этим углом зрения рассматривается проблема выбора громкоговорителя в данной статье. К основным электроакустическим параметрам, которые необходимо принимать во внимание при определении или оценке пригодности устройства для данного применения, относятся частотная характеристика, акустическая мощность, диаграмма направленности, угол покрытия, направленность, чувствительность, импеданс, искажения и мощность. Существует также много других параметров (фазовая характеристика, компрессия мощности), и каждый заслуживает отдельной статьи, однако наша задача – дать о них лишь общее представление.
Следует отметить, что ни один из параметров не является определяющим при выборе громкоговорителя. Некоторые из них взаимосвязаны, другие являются взаимоисключающими, таким образом, выбор должен делаться с учетом множества факторов. Очень часто идеального устройства просто не существует, поэтому необходимо найти компромиссное решение – так же, как и при разработке, и изготовлении самого устройства. Хорошей отправной точкой для поиска могут стать частотная характеристика и полоса пропускания.
Частотная характеристика
| Рис. 1. АЧХ акустической системы в разных масштабах |
Методы измерения изложены в ряде промышленных и международных стандартов, таких как AES и IEC. При проведении измерений могут использоваться такие сигналы, как гармонические колебания, розовый шум с полосой 1/3 октавы (или уже), белый шум (также с полосой 1/3 октавы или уже). MLS-сигналы, которые широко применяются в настоящее время, также попадают в эту категорию, поскольку их спектр фактически совпадает со спектром белого шума.
Форма представления данных в значительной степени стандартизована, тем не менее будьте осторожны – истинное звучание может оказаться совсем не таким, каким мы его представляли, глядя на график частотной характеристики. Пример тому показан на рис. 1. На первый взгляд, громкоговоритель, характеристика которого изображена на верхнем графике, может показаться предпочтительней, поскольку имеет более гладкую характеристику. Однако посмотрев на вертикальную шкалу, вы поймете, что кривые построены в разных масштабах. На самом деле оба графика относятся к одному и тому же громкоговорителю. Данные с высокой степенью подробности часто сглаживаются на графиках. И хотя такое представление данных позволяет показать вид кривой в целом, оно также может ввести в заблуждение, поскольку при этом оказываются скрытыми такие детали, как резонансные пики и спады характеристики, которые являются характерными признаками нежелательных резонансов, дифракции/интерференции звука в помещении или плохой настройки разделительных фильтров.Частотная характеристика обычно снимается в безэховых условиях, если не указано иное. Поэтому снова убедитесь, что вы прочли подписи в паспорте АС, сделанные петитом. Хороший пример приведен на рис.2. На самом деле в данных производителя этой акустической системы отсутствует график частотной характеристики, но указано, что неравномерность составляет всего ±3 дБ. Однако, согласно написанному петитом, измерения являются усредненными для комнатных условий, что совсем не одно и то же, как видно из рис. 2.
Частотная характеристика обычно снимается на оси, совпадающей с основным направлением излучения. И хотя это дает хорошее представление о потенциально возможной характеристике в данном направлении, тем не менее в случае различных коммерческих систем и общественных систем оповещения большинство слушателей будет находиться под углом к этой оси. Поэтому для детальной оценки пригодности громкоговорителя необходима частотная характеристика, измеренная под различными углами к основной оси в пределах номинального угла покрытия с шагом 10–15°, которая изображается в виде семейства кривых. При работе в больших и сложных, с акустической точки зрения, помещениях полезно также использовать характеристики направленности. На рис. 3 представлены частотные характеристики для высококачественного контрольного громкоговорителя, снятые на основной оси и под разными углами к ней, которые показывают очень хороший результат.
Акустическая мощность
Характеристика излучаемой громкоговорителем акустической мощности (не путать с мощностью) – очень полезный, но редко указываемый параметр. Она показывает суммарную акустическую мощность, излучаемую на выходе. Хотя частотные характеристики, снятые в безэховых условиях, могут дать правдивую картину о потенциально возможных характеристиках в хороших акустических условиях и в пределах критического расстояния от громкоговорителя, однако в некоторых случаях, например в помещении с высоким временем реверберации или для распределенных систем в помещениях, многие слушатели вполне могут оказаться за пределами критического расстояния. Следовательно, поле реверберации становится преобладающим, что в большей степени зависит от суммарной излучаемой звуковой мощности, нежели от осевой частотной характеристики.Мало кто из производителей указывает эти столь необходимые характеристики, и немногие из нынешних стандартов требуют их измерения, не говоря уж об их упоминании, тем не менее эта информация очень важна для точного расчета потенциальной разборчивости речи и быстрого определения вероятных характеристик поля реверберации. Нижняя кривая на рис. 3 является редким примером проведения подобного рода измерений. Существует масса споров и разногласий по поводу того, какова должна быть идеальная характеристика мощности. Очевидно одно – она должна быть гладкой и существенно плоской, возможно имеющей небольшой спад на высоких частотах. Обратите внимание – акустическая мощность обязательно станет параметром, значимость которого будет возрастать.
Характеристики направленности
После того как вы приняли решение о том, подходит ли вам данный громкоговоритель по своим частотным характеристикам, следующим шагом должна стать проверка характеристик направленности и углов покрытия. Для некоторых громкоговорителей систем оповещения часто указывается угол покрытия на одной частоте. Однако в реальной ситуации акустическое излучение громкоговорителя будет значительно меняться с частотой, а значит и угол покрытия также будет иметь сильную частотную зависимость. Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 4), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат (рис. 5). При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты. Изменение угла покрытия для различных уровней ослабления (3, 6 и 9 дБ) показано на рис. 6, но рис. 7, вероятно, является наиболее информативным, где вдоль оси Х откладывается частота (нижняя часть графика), вдоль оси Y – угол покрытия. Цветом показан уровень затухания как функция от угла и частоты. На рис. 7 представлена характеристика направленности двухполосной акустической системы в вертикальной плоскости. При этом видно уменьшение угла покрытия с увеличением частоты (белая область резко сокращается при возрастании частоты примерно до 1 кГц и остается практически постоянной, когда начинает сказываться преобладание излучения CD-рупора). На частоте порядка 500 Гц наблюдается значительный боковой лепесток (белая часть рис. 7, указывающая вверх). В основе этого графика лежат базовые трехмерные диаграммы направленности, однако используется форма представления, обеспечивающая хорошую наглядность. Еще одним способом представления данных является изображение в виде трехмерной фигуры (рис. 8). В этом случае также виден вертикальный боковой лепесток. Построение трехмерной диаграммы направленности – задача сложная, связанная с обработкой больших объемов данных, но полученная полнота представления о характеристиках громкоговорителя стоит затраченных усилий. Более того, данные с высокой степенью подробности могут эффективно использоваться в таких программах по проектированию звуковых систем, как EASE, из которой и были взяты приведенные данные. В то же время двумерные диаграммы направленности все еще широко используются в тех случаях, когда надо быстро посмотреть, удовлетворяет ли покрытие конкретного устройства требованиям к работе вблизи. Диаграммы направленности могут строиться с различными разрешениями по частоте и углу. Некоторые стандарты предусматривают шаг по частоте в 1 октаву, однако сейчас становится нормой шаг в 1/3 октавы по частоте и 5° по углу. Возможно, что оптимальными являются диаграммы с шагом 1/3 октавы и октавными центрами на частотах 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4 и 8 кГц. Разрешение с шагом в одну октаву слишком грубое и может давать большую погрешность. В любых серьезных технических характеристиках должен присутствовать график зависимости ширины диаграммы направленности от частоты. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя обычно берется по уровню -6 дБ. Ее часто путают с углом излучения, который используется в стандарте IEC на громкоговорители (IEC 60268-5). Это угол, при котором уровень падает на 10 дБ, что, конечно же, неприемлемо для коммерческих или профессиональных звуковых систем. Чтобы преодолеть эту проблему, IEC ввела понятие угла покрытия, который фактически является шириной диаграммы направленности по уровню -6 дБ, названной другим именем. Угол покрытия должен определяться на частоте 4 кГц, хотя могут указываться и другие частоты. Чем раньше мы придем к тому, что будем указывать угол покрытия для всего диапазона частот, тем лучше, поскольку немногие из производителей приняли вариант с частотой 4 кГц, а в тех случаях, где все же указывается угол покрытия на одной частоте (обычно в более дешевых моделях), чаще используется 1кГц.Направленность и индекс направленности
 |
| Рис. 9. Фрагмент технических характеристик акустической системы, в котором приведены основные акустические параметры, необходимые при ее выборе |
Импеданс
Импеданс громкоговорителя – еще одна очень важная характеристика. Он также имеет сильную частотную зависимость, следовательно его график должен приводиться всегда. Удивительно, как много восьмиомных громкоговорителей в действительности не являются таковыми. А когда используются линейные согласующие трансформаторы на 70 и 100 В, частотная характеристика еще более необходима. Хотя в большинстве случаев комбинация громкоговоритель + трансформатор будет обеспечивать нормальную нагрузку на 1 кГц, на более низких частотах этого может не быть. В табл. 1 приведены результаты недавнего тестирования небольших громкоговорителей для системы оповещения, проведенного в лаборатории (линия 100 В). На рис. 10 показан график импеданса громкоговорителя с плохим согласованием.
Даже в тех случаях, когда трансформатор не используется, необходимо знать, как данный громкоговоритель нагружает усилитель. И хотя величина импеданса по модулю обычно приводится, и этого требуют стандарты, фазовая характеристика также должна указываться, чтобы гарантировать, что нагрузка, которую мы собираемся подключать, не окажет вредного воздействия на работу усилителя возбудителя.Чувствительность
Чувствительность громкоговорителя по напряжению часто путают с эффективностью. Чувствительность обычно определяют как уровень звукового давления, измеренный на основной оси на расстоянии 1 м при подаче на вход 1 Вт (например, 90 дБ, 1 Вт / 1 м). Измерения проводятся в безэховых условиях или в условиях свободного поля. В действительности рассеивается не вся мощность в 1 Вт, поскольку не только импеданс будет меняться с частотой, но и фаза, которая не принимается во внимание. Для восьмиомного громкоговорителя мощность в 1 Вт номинально эквивалентна напряжению возбуждения в 2,83 В (P=E2/R), и эта величина часто приводится.
Будьте внимательны, поскольку указанное напряжение возбуждения также иногда используется с четырех- омными громкоговорителями. В этом случае эквивалентная входная мощность равна 2 Вт, что может дать ошибочное увеличение чувствительности на 3 дБ. Напряжение возбуждения должно быть 2 В. Реальное значение чувствительности будет зависеть от ширины полосы пропускания системы или ширины полосы подаваемого сигнала.
И опять будьте осторожны при сравнении громкоговорителей и при проведении расчетов, поскольку общепринятой ширины полосы не существует. Могут приводиться значения чувствительности для однополосных или, что еще хуже, для одночастотных сигналов. Эти значения будут выше, чем для широкодиапазонных сигналов.
Чувствительность также зависит от гладкости частотной характеристики и от эффективного диапазона частот рассматриваемого устройства. Эффективный диапазон частот определяется как "диапазон частот, ограниченный указанными верхним и нижним пределами, в котором частотная характеристика громкоговорителя, измеренная на основной оси с использованием гармонических (или эквивалентных) сигналов, уменьшается не более чем на 10 дБ от уровня звукового давления, усредненного в полосе в 1 октаву или более (определяется производителем) в области максимальной чувствительности." При определении частотных пределов малыми провалами на частотной характеристике, которые уже 1/9 октавы по уровню -10 дБ, пренебрегают. И хотя это определение прекрасно подходит для высококачественных изделий с номинально плоскими характеристиками, оно может не подходить для многих систем PA и тревожной сигнализации, и устройства, имеющие характеристику с выраженными пиками, могут получить очевидное преимущество.
Возьмем к примеру громкоговоритель, характеристика которого приведена на рис. 11. Определение чувствительности в этом случае оказалось делом довольно сложным, особенно из-за того, что импеданс непостоянен. Официально указывается чувствительность в 88 дБ. Способы измерения и оценки чувствительности, частотной характеристики и рабочего импеданса данных типов устройств нуждаются в дальнейшей проработке, исследованиях и стандартизации.
Мощность
 |
| Рис. 11. Пример АЧХ акустической системы |
Наряду с измерением мощности необходимо измерять коэффициент компрессии мощности. При нагреве катушки громкоговорителя выходная мощность может значительно уменьшаться. При этом компрессия возрастает с увеличением подводимой мощности. Обычно коэффициент компрессии находится в пределах 0,5–4,5 дБ. Следовательно, когда мы берем чувствительность данного громкоговорителя для рассеиваемой мощности 1 Вт на расстоянии 1 м и используем максимально допустимое значение мощности для расчета соответствующего максимального уровня звукового давления, то можем получить огромную ошибку.
Альтернативные испытания по определению мощности заключаются в том, что на вход подается высокое напряжение на короткий и на длительный срок и определяется то максимальное входное напряжение, которое громкоговоритель может выдержать без повреждения. В краткосрочных испытаниях применяется специальный сигнал (так называемый program-shaped noise), который подается на 1 с 60 раз с интервалом между двумя подачами в 1 мин. В долгосрочных испытаниях сигнал подается на 1 мин с интервалом в 2 мин. Испытания повторяются 10 раз (IEC 60268-5).
Искажения
Искажения являются параметром, который часто не включается в технические характеристики, но важен для оценки нелинейности характеристик устройства и субъективного качества звучания. Существуют различные методы измерения разных видов искажений, включая суммарные гармонические искажения (THD), выборочные (например, вторая и третья гармоники) и интермодуляционные. Для определения некоторых тонких моментов, например, влияния материалов, из которых изготовлены диффузор и драйвер, начинают широко использоваться другие методики, такие как многочастотное возбуждение (multi sine-wave excitation).Нужно быть чрезвычайно осторожным при сравнении результатов, поскольку разные производители используют в испытаниях разные уровни (мощности) в драйверах. Могут приводиться данные как по суммарным гармоническим искажениям, так и по второй и третьей гармоникам. Вообще говоря, вторая гармоника указывает на проблему асимметрии, в то время как третья гармоника, которая обычно более нежелательна с точки зрения субъективного качества звучания, говорит о наличии эффекта лимитирования в устройстве.
Искажения зависят от уровня сигнала. В табл. 2 в качестве примера приведены данные для высококачественной двухполосной акустической системы с 12-дюймовым НЧ-динамиком и CD-рупором. Номинальная мощность – 300 Вт.
При выборе громкоговорителя для конкретного применения многие характеристики заслуживают того, чтобы их приняли во внимание. Поэтому убедитесь, что исследовали все характеристики, которые непосредственно относятся к вашему случаю.
Питер Мэпп – независимый консультант в области акустики и разработки звуковых систем в Великобритании. С ним можно связаться по электронной почте: [email protected] .
Благодарим журнал “Sound&Video Contractor” за предоставленный материал. P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901, www.svconline.com
Характерная особенность контрапертуры в том, что звук, приходящий к слушателю фактически со всех сторон, хотя и создает впечатляющий эффект присутствия, не может в полной мере передать информацию о звуковой сцене. Отсюда рассказы слушателей об ощущении летающего по комнате рояля и прочих чудесах виртуальных пространств.
Контрапертура
Плюсы: Широкая зона эффектного объемного восприятия, натуралистичность тембров благодаря нетривиальному использованию волновых акустических эффектов.
Минусы: Акустическое пространство заметно отличается от звуковой сцены, задуманной при записи фонограммы.
И другие...
Если вы думаете, что на этом список вариантов оформления колонок исчерпывается, значит вы сильно недооцениваете конструкторский энтузиазм электроакустиков. Я описал только наиболее ходовые решения, оставив за кадром близкую родственницу лабиринта - трансмиссионную линию, полосовой резонатор, корпус с панелью акустического сопротивления, нагрузочные трубы...
Nautilus от Bowers & Wilkins - одна из самых необычных, дорогих и авторитетных в плане звучания акустических систем. Тип оформления - нагрузочные трубы Подобная экзотика встречается довольно редко, но иногда она материализуется в конструкции с действительно уникальным звучанием. А иногда и нет. Главное не забывать, что шедевры, как и посредственности, встречаются во всех оформлениях, что бы ни говорили идеологи того или иного бренда.
Мере задействуют «фактор помещения». Эти разработки основываются на результатах многочисленных психоакустических исследований. Главными преимуществами звука ненаправленных (или обладающих «круговой направленностью») акустических систем считаются схожесть тембров прямого и отраженного звука в точке прослушивания, а
также повышенная «объемность» музыкального образа. Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 18.16), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат. При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты.
Разделительные фильтры
В акустических системах с электродинамическими головками для согласования их характеристик и диаграмм направленности используют разделительные фильтры. Кроме того, так как центры излучения этих громкоговорителей (примерно совпадающих с местом расположения звуковой катушки громкоговорителя) сдвинуты относительно друг друга (глубина СЧ- и особенно НЧ-громкоговорителя намного больше, чем у ВЧ- громкоговорителя), при расчете разделительных фильтров приходится учитывать необходимость коррекции возникающего при этом временного сдвига в излучаемой этими громкоговорителями звуковой волне с помощью фазокорректирующих цепочек. Уменьшение временной задержки в излучении различных громкоговорителей можно добиться и чисто конструктивными методами, смещая ВЧ- и СЧ-головку внутрь корпуса АС, например, используя наклонную переднюю панель акустической системы с "заваленной" назад верхней частью.
Что касается собственно самих разделительных фильтров, то их роль в современной АС существенно возросла. Это вызвано, с одной стороны, резким повышением требований слушателей к качеству звучания аудиоаппаратуры вообще и акустических систем в частности, а с другой стороны - возросшим качеством современных громкоговорителей. В этих условиях неоптимальное подключение громкоговорителей в акустической системе не позволит полностью реализовать потенциально высокое качество этих громкоговорителей. Поэтому разработчики современных фильтров для акустических систем учитывают при их проектировании не только требования обеспечить максимально плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в полосе пропускания фильтра, но и учитывают при расчете элементов схемы фильтра изменение комплексного сопротивления громкоговорителя на разных частотах, требования обеспечения заданной диаграммы направленности акустической системы на этих частотах и т.д. Все это стало возможным благодаря широкому использованию при проектировании АС численных методов компьютерного моделирования и проектирования.
Фильтры Баттерворта имеют линейную АЧХ в полосе пропускания фильтра, резко обрывающуюся в полосе затухания фильтра. Однако переходная характеристика таких фильтров носит сильно выраженный колебательный характер. Фильтры Бесселя также имеют линейную АЧХ в полосе пропускания и сравнительно резкий спад в полосе затухания. Однако благодаря линейной зависимости фазового сдвига сигнала в зависимости от его частоты переходная характеристика АС с такими фильтрами хотя и имеет выброс на АЧХ, но не имеет колебательного характера. Фильтры Чебышева имеют чрезвычайно резкий спад АЧХ в полосе затухания, однако АЧХ фильтра в его полосе пропускания носит волнистый характер. Наиболее сложные схемы разделительных фильтров включают в себя также специальные корректирующие цепи, которые компенсируют изменение импеданса громкоговорителя на разных частотах. В результате такой стабилизации импеданса условия работы разделительного фильтра существенно улучшаются, так как он нагружен на постоянный и согласованный с ним импеданс нагрузки (громкоговоритель). Поэтому параметры АЧХ фильтра получаются близкими к расчетным. В случае же работы фильтра на рассогласованную нагрузку значения параметров его АЧХ и ФЧХ становятся непредсказуемыми. Нет нужды говорить, что это губительно сказывается на качестве звучания АС.
Иногда в схему фильтра включают также специальные режектирующие цепочки с целью блокирования в фильтре сигналов на частоте резонанса громкоговорителя,такие цепочки используют в фильтрах СЧ- и ВЧ-громкоговорителей.
Итак, как мы видим, в современных АС используются весьма сложные схемы фильтров, количество элементов в которых (особенно при встраивании в схему фильтра элементов защиты громкоговорителей) может достигать нескольких десятков. С другой стороны, многие высококачественные АС имеют простейшие фильтры 1-2-го порядка, состоящие всего из нескольких электронных компонентов.
Выбор и расчет параметров оптимального варианта акустического оформления
В процессе разработки акустической системы, мною поставлена задача получения высокого качества концертного звучания, позволяющего в полном объеме раскрыть эмоциональный потенциал музыкального материала в помещениях различного объемаа также на открытых площадках.
Результатом курсовой работы должен быть математический расчёт АС с блоком фильтров. АС будет иметь следующие особенности:
1.3 полноценных полосы (НЧ,СЧ, рупорная ВЧ)
2.Равномерную частотную характеристику (отклонение в области низких частот ±4 дБ в области низких частот)
3.Акустическое оформление будет представлять собой ящик с фазоинвертором аппроксимирующий аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка, для получения равномерной частотной характеристики в области НЧ
4.Выбор экспоненциального рупора для ВЧ излучателя, для повышения мощности излучателя в верхнем диапазоне частот.
5.В качестве излучателей я буду брать динамические головки различных производителей, которые будут иметь удовлетворительные параметры для решения поставленной задачи.
Программная среда SPEAKERSHOP
Приступим сразу и непосредственно к предмету рассмотрения - компьютерному программному обеспечению SPEAKERSHOP, подготовленному специалистами фирмы JBL для разработки и расчета параметров акустического оформления сабвуферов. Сразу оговорюсь, что программа хорошо сработает применительно и к домашней акустике, но это не наш случай, и что она позволяет производить вычисления не только для динамиков JBL, а собственно для самых разных изделий - были бы известны значения необходимых характеристик.
Это программное обеспечение помогает определить объем и размеры корпуса и оценить качество звучания. Конструкция анализируется в два этапа. Прежде всего определяется, как она будет работать при нормальных уровнях прослушивания. Эта процедура называется анализом на малых сигналах и включает в себя расчет амплитудной (частотной) характеристики, характеристики сопротивления звуковой катушки, фазовой характеристики и групповой задержки. Во вторую очередь для конструкции моделируется режим максимальной громкости. Этот этап называется анализом на больших сигналах и включает в себя нормы термальной акустической мощности в диапазоне средних частот и характеристику максимальной мощности при различных отклонениях.
Существуют два способа конструирования корпусов с помощью программы SPEAKERSHOP Enclosure Module. Один из них предусматривает конструирование корпуса для определенных выбранных динамиков. При этом варьируются характеристики корпуса. Другой способ заключается в поиске подходящих динамиков для существующего корпуса: вы подбираете модели динамиков. Метод конструирования может быть выбран с помощью команды Variable в меню Options.
Рисунок 18.17
Электронная таблица содержит колонки для конструирования шести корпусов.
Первые три предназначены для расчета корпусов с фазоинвертором - для оптимальной, пользовательской (т.е. проектируемой самим мастером) конструкций и для корпусов, рассчитанных на определенную полосу частот. Следующая колонка предназначена для пользовательской конструкции корпуса с пассивным излучателем. Последние две колонки предназначены для оптимальной и пользовательской
конструкции для корпусов закрытого типа.
Режим, когда изменяемой величиной является сам динамик, задается с помощью команды Variable-Loudspeaker в меню Options. Это на случай выбора подходящих динамиков для уже существующего корпуса. Режим очень удобен для расчетов звуковоспроизводящих систем автомобилей, когда необходимо подобрать динамик под строго заданный объем, так как позволяет быстро проверять работу нескольких различных акустических систем в конкретном корпусе или в определенном ограниченном пространстве.
В режиме Variable-Loudspeaker используется электронная таблица-меню другого вида. Вместо показа шести различных конструкций корпусов, как это делается в режиме Variable-Box, одновременно демонстрируются шесть различных динамиков. Таким образом дается возможность быстро сравнить до шести различных моделей. В данном пакете предоставляется возможным вводить минимальные параметры, включающие в себя название производителя (Manufacturer), название модели (Model), Fs, Vas и Qts. Номинальную эффективность или чувствительность необходимо вводить только при конструировании корпусов с фазоинвертором.
В базе хранятся значения всех необходимых характеристик большого количества динамиков самых разных фирм-изготовителей. "Сектор обстрела" очень широк, достаточно перечислить в качестве иллюстрации несколько фирм из начала списка: A&S Speakers, Acoustic Research, AcousticPro - и из его окончания: Xtasy Audio, Yamaha, Zachry. Конечно же, если вы не обнаружили искомую модель, то ее можно вместе с характеристиками внести в базу, наращивая содержащуюся в ней информацию. Более того, если у вас есть возможность измерить амплитудно-частотные характеристики динамика в специальном тестовом корпусе-экране или получить эти данные от производителя, то предусмотрен вариант поточечного внесения экспериментальных значений. Понятное дело, добавление экспериментальных данных повысит точность результата расчетов. Программа также позволяет проводить автоматический подбор моделей динамиков, удовлетворяющих наперед заданным условиям. Целью оптимизации конструкции корпуса с фазоинвертором является выбор объема, обеспечивающего наиболее ровную и плавную амплитудную характеристику в области частот настройки порта фазоинвертора. Преимуществами такой конструкции являются более широкая характеристика в диапазоне средних и низких частот, меньшие искажения за счет меньшей амплитуды диффузора, более высокая эффективность и меньшая общая стоимость. Конструкция корпуса с фазоинвертором относительно чувствительна к изменению параметров динамика. В таком корпусе лучше работают динамики с достаточно низким Qts (от 0,2 до 0,5). Конструкции корпусов с фазоинвертором допускают значительно большую частоту резонанса (Fs), а также применение звуковых катушек с укороченным шагом намотки (низкое значение Xmax) и более жесткого подвеса (небольшое значение Vas), чем конструкции закрытых корпусов. Уменьшение корпуса с фазоинвертором потребует более низкого Qts и меньшего значения Vas.
Систе
ма
с большой бассовой отдачей и система с
более "гладкой" басовой АЧХ;
2)Недостаточно задемпфированная система
(объем короба мал) и передемпфированная
система (объем короба велик)
Fs - Собственная резонансная частота динамика (Гц).
Qts - Добротность динамика для значения частоты Fs с учетом всех электромагнитных и механических потерь.
Vas - Объем воздуха, имеющий упругость, эквивалентную упругости подвеса динамика (кубические футы или дюймы, а также литры).
Получаемые "на выходе" графики
В
данной программе вы можете получить
доступ к шести графикам различных
характеристик. Это графики: нормализованной
амплитудно-частотной характеристики
Рисунок 18.18
Расчет акустической системы. Описание конструкции.
Для расчёта акустического оформления потребовались параметры Тиле-Смолла низкочастотных динамиков. Характеристики динамиков выбираем из базы данных программы SPEAKERSHOР. Мною был выбрана динамическая головка JBL 1800GTiкоторая имеет следующие характеристики:
F s =30 Гц - резонансная частота
Q ms =5,54 - механическая добротность
V as = 362 литра - эквивалентный объём
Dia=42,5 см - эффективный диаметр диффузора
Q ts =0,43 - полная добротность
Q es =0,456 - акустическая добротность
Re=3 Ом - сопротивление постоянному току
Z=4 Ом - импеданс
Pe=600 Вт - предельная мощность
Отношение F s /Q ts получилось порядка 93, из чего я сделал вывод, что динамик больше тяготеет к фазоинверсному акустическому оформлению. Поясню: по отношению резонансной частоты к добротности можно довольно точно определить тип будущего акустического оформления. Если это отношение мене 50 то динамик однозначно создан
для закрытого корпуса, если более 100 – то для фазоинвертора.
Подставив данные в JBL Speaker Shop получил характеристики:
Рисунок 18.19 АЧХ динамика JBL 1800GTiв ящике с фазоинвертором.
При расчете программой внутренний объем короба составил 380 литров. Исходя из этого предложено следующие размеры сторон акустической системы.
Корпус громкоговорителя будет изготовлен из фанеры или древесно-стружечной плиты толщиной около 20 мм.. Места соединения боковых стенок с верхней и нижней стенками будет укреплено прямоугольными ребрами жесткости изготовленными из стали. Для устранения влияния отражения сигнала на средних частотах внутри корпуса будет размещен простеганный слой натуральной или минеральной ваты толщиной не менее 50 мм. Такое покрытие должно быть выполнено по всей внутренней поверхности корпуса. ВЧ и СЧ динамики установлены с внешней стороны передней панели.
Для акустической изоляции СЧ и ВЧ динамиков, будут изготовлены небольшие боксы из 10-и миллиметровой фанеры.
Также с помощью программы определили
частоту настройки ящика-фазоинвертора.
f
b
=26,8 Гц.
Выбрав соотношение сторон ящика равными 1:0.8:0.5,найдем его высоту ширину и глубину.1.4;0.6;0.5.При толщине передней панели и остальных стенок 20мм. Наружные размеры ящика будут равны 1.42 0.62 0.52м. Расчет фазоинвертора основан на определении акустической массы. которая вместе с гибкостью свободного объема ящика резонирует на частоте.
Риснок 18.20
Отношение длины трубы Lvк площади выходного отверстия Sv:
(18.2)
Подставляя в последнее
уравнение численные значения свободного
объема и частоты настройки, получаем:
=11.17
Следует отметить, что Lv - кажущаяся длина инвертора, включающая в себя как непосредственно длину трубы или полки, так и приращение за счет краевых эффектов.
Абсолютные значения Sv и Lv при сохранений нужного отношения выбираются из следующих соображений. Площадь фазоинверсного отверстия не может быть слишком малой, иначе за счет большой колебательной скорости в инверторе могут возникнуть нелинейные искажения и посторонние призвуки. По возможности Sv приближают к верхнему пределу. Однако, чем больше площадь инвертора, тем большей должна быть его длина, чтобы отношение Sv/Lv оставалось неизменным. Размещение же большой трубы в ящике связано с усложнением его конструкции и увеличением размеров.
При всех условиях свободный внутренний объем ящика не должен изменяться. Кроме того, слишком длинная труба в верхней части низкочастотного диапазона перестает работать как система с сосредоточенными параметрами, что может привести к увеличению неравномерности частотной характеристики громкоговорителя.
Для рассматриваемого примера
выберем площадь фазоинверсного отверстия
равной 0,3 эффективной площади диффузора.
При соотношении эффективного и
номинального диаметров Dэфф=0,74D
(18.3) для
головки с D
= 0,42 м площадь фазоинверсного отверстия
составит: Sv
=0.3∙3.14∙
=2.3∙10 -2
.
Из условия Lv/Sv
=11.17
получим Lv=0,25
м. Чтобы определить истинную длину
ивертора, из найденного значения следует
вычесть поправку на краевые эффекты:
(18.4)
Следовательно, длина инвертора, включая толщину передней стенки, составит:
L=
0.25 -
=
0.2 м.
Конструктивно фазоинвертор может быть выполнен, например, в виде трубы круглого или прямоугольного сечения. Определив точные размеры инвертора, можно проверить правильность расчета размеров ящика. Полный внутренний объем ящика должен быть равен сумме необходимого свободного объема, объема, занимаемого головкой, инвертором и брусьями каркаса
Заключение
Данная работа посвящена одному из важнейших направлений прикладной акустики - разработке и расчету мощной акустической системы. Разработчиком этого проекта была поставлена задача добиться линейной частотной характеристики в области низких частот. Для этого было выбрано акустическое оформление в виде ящика с фазоинвертором аппроксимирующим аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка.
В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:
Внутренний объем и геометрические размеры корпуса
Частота настройки ящика-фазоинвертора
Значение добротности для корпуса
Амплитудно-частотная характеристика акустической системы
Нижняя граничная частота по уровню -3дБ
Диаметр и площадь поперечного сечения воздуховода
Длина воздуховода в корпусе с фазоинвертором
