Глава 6. Разбираемся с акустическими системами

Подробности

Просмотров: 184

Аудиторская компания. Аудиторская фирма. Бухгалтерские услуги. Консалтинговая компания.

Головное устройство, усилитель... что же дальше? А дальше электрические сигналы уже пора преобразовывать в звук. Этим занимаются акустические системы. Но выбирая для своей машины подходящие, можно запросто заблудиться в их многообразии – одни динамики большие, другие маленькие, одни одной формы, другие – другой, а в третьих вообще и динамики-то не сразу признаешь. Какие же выбрать? Какой они требуют установки? Это мы сейчас и попытаемся выяснить.

КАК УСТРОЕН ДИНАМИК?

Вначале давайте посмотрим, как вообще электрические сигналы могут превращаться в звук. Для того чтобы звук появился, нужна какая-то излучающая поверхность, которая будет «толкать» перед собой воздух, создавая в нем колебания. Собственно, диффузор какого-нибудь сабвуфера или мембрана твитера – это как раз и есть такие излучающие поверхности.

Теперь давайте посмотрим, как их можно заставить двигаться. Для этого снова вспомним школьные уроки физики. Возьмем провод, намотаем его на цилиндрический каркас и поместим получившуюся катушку внутрь магнита. Если мы пропустим через нее ток, то на катушку будет действовать сила, стремящаяся ее сдвинуть. Сила Ампера, кто помнит. Сильнее ток – больше смещение, слабее ток – меньше смещение, ток потек в обратную сторону – и катушка в обратную сторону.

Теперь приделаем к катушке диффузор, который будет толкать воздух, закрепим все это хозяйство на корпусе и... получим в готовом виде наш с вами динамик (или звукоизлучатель, или электроакустический преобразователь).

И вот насколько хорошо он будет справляться со своими обязанностями, зависит от его конструктивных особенностей.

ЗАЧЕМ ДИНАМИКУ КОРЗИНА?

Основная часть динамика, на которой крепятся все его составляющие, – это корпус, называемый иначе корзиной диффузородержателя. Корзина может быть литой из какого-нибудь алюминиевого сплава, полимерного композита или, в простейшем случае, просто металлической штампованной.

Ориентироваться при выборе динамиков исключительно на ее материал не нужно, главное, чтобы она была прочной и не слишком звонкой. Действительно, чего можно ожидать от хлипкой конструкции, которая ходит ходуном и звенит?

Но раз так нужна прочность, почему бы не сделать корзину сплошной? А сплошной ее нельзя сделать потому, что в этом случае под диффузором окажется герметично закрытый объем, образуется упругая воздушная подушка, которая будет сопротивляться движению диффузора. Поэтому в корзине динамика

всегда (ну или почти всегда) делают окна.

 

НА ЧЕМ ДЕРЖИТСЯ ДИФФУЗОР? 

Верхний и нижний подвесы позволяют диффузору двигаться только по своей оси и в строго определенных пределах. Подвесы могут быть жесткими или мягкими, упругими или вязкими, от этого будут зависеть механические параметры динамиков. Форма подвесов тоже играет большую роль, от нее во многом зависит линейность хода диффузора – насколько постоянным будет его сопротивление при маленьких и больших перемещениях диффузора.

Корзина – это основной элемент динамика, на ней держатся все остальные элементы, да и сам динамик всегда крепится именно за фланец корзины. Но диффузор-то должен двигаться, а значит, он должен быть закреплен на корзине на чем-то гибком. В обычной конструкции для этого предназначены два элемента – верхний и нижний подвесы диффузора.

Верхний подвес держит диффузор по его периметру, его еще называют гофром. Чаще всего гофр делают из различных видов резины и полимерных составов, но есть и тканевые с пропитками, или гофры, которые представляют собой не отдельный элемент, приклеенный к диффузору, а являются его частью (например, так иногда делается для бумажных диффузоров).

Нижний подвес крепится у самого основания конуса диффузора – это центрирующая шайба, она же спайдер. Центрирующие шайбы бывают нескольких видов, но в подав-ляющем большинстве автомобильных динамиков они имеют волнистый профиль и выполняются из различных тканей с пропитками – хлопчатобумажных, акриловых, тефлоновых, и даже тканей со специально вплетенными металлическими нитями для отвода лишнего тепла от звуковой катушки.

Оба этих подвеса (и гофр, и центрирующая шайба) позволяют диффузору двигаться в определенных пределах, причем только строго по своей оси. Кстати, если вы увидите в описании динамиков параметр Xmax, то это и есть максимальный ход диффузора относительно своего «нулевого» положения. Конечно, этот параметр определяется не только конструкцией подвеса, а в первую очередь самой звуковой катушкой, но навскидку по внешнему виду определить динамик с большим значением Xmax можно как раз по широкому гофру и крупной центрирующей шайбе.

ЧТО ЗАСТАВЛЯЕТ ДИФФУЗОР ДВИГАТЬСЯ?

Главный «мотор» динамика – это прикрепленная к диффузору звуковая катушка, представляющая собой провод, намотанный на легком, но жестком цилиндрическом каркасе, например каптоновом (полиимидный материал, разработанный DuPont) или алюминиевом. Достоинство каптона – высокая прочность и устойчивость к ударным нагрузкам, а достоинство металлических – хорошая теплопроводность, благодаря которой они могут выполнять функцию радиатора, отводя от звуковой катушки избыточное тепло. Это особенно актуально для динамиков с высокой допустимой мощностью.

Каркас с намотанной на него катушкой помещен внутрь магнитной системы. Конструкции магнитных систем бывают разные. Классическая представляет собой магнит в форме кольца, а звуковая катушка находится внутри него. В центре – неподвижный керн, который формирует правильную направленность магнитного поля вокруг катушки. Сама катушка может быть длинной или короткой. Преимущества длинных – они обеспечивают большие смещения и у них лучшее охлаждение, а преимущество коротких – они более «отзывчивы» на слабые изменения сигнала и при небольших смещениях обеспечивают меньше искажений.

 

У динамиков с обра- щенной магнитной сис- темой, расположенной не позади, а перед диффузором, монтаж- ная глубина получа- ется еще более низкой.

 Впрочем, катушка не обязательно должна быть расположена внутри магнита, все может быть и наоборот – магнит внутри катушки. Такие магнитные системы называются обращенными.

В чем преимущества и недостатки обычной и обращенной конструкций? Во-первых, поскольку в обращенных магнитных системах сам магнит расположен внутри, а снаружи – только магнитопровод, то «бесполезный» магнитный поток у них гораздо меньше, чем у обычных конструкций. Во-вторых, обращенные магнитные системы можно сделать компактнее обычных, а в автомобильных условиях нехватка места для глубокого динамика иногда бывает настоящей проблемой.

		Охлаждение звуковой катушки – вещь довольно критичная, ведь энергия самих звуковых волн в десятки раз меньше электричес- кой энергии, которую на динамик подает усилитель. КПД динамика составляет в лучшем случае еди- ницы процентов, а то и вовсе до- ли процента. Избыток же энергии уходит просто на нагрев звуковой катушки.
		Динамики, в которых хорошее охлаждение звуковой катушки особенно важно, например мид- басы, сабвуферы, имеют осевое вентиляционное отверстие. Для лучшего охлаждения служат и окна в корзине между центриру- ющей шайбой и самим магнитом. А в некоторых моделях произво- дители предусматривают целую систему циркуляции воздуха вокруг звуковой катушки с «вы- хлопом» через многочисленные отверстия в нижнем торце маг- нитной системы.

Остальные же особенности, в общем-то, касаются уже не только обращенных магнитных систем, а вообще всех динамиков с относительно большими катушками.

Большие катушки, безусловно, охлаждаются гораздо эффективнее маленьких, а это значит, что динамик работает лучше и стабильнее, и у него меньше проявляется эффект температурной компрессии (на пиках сигнала звуковая катушка нагревается, ее сопротивление повышается, и эти пики воспроизводятся с искажениями). К тому же такие динамики могут работать с более мощными усилителями.

Осевое отверстие может слу- жить не только для охлажде- ния, иногда оно используется для небольшой коррекции па- раметров: в отверстие вклады- ваются специальные вставки, в определенной степени пре- пятствующие свободному дви- жению воздуха через канал при работе динамика.

Другое преимущество больших катушек чисто механическое. Обратите внимание, как она крепится к диффузору: маленькая «держит» его чуть ли не за самую вершину конуса, а с большой конусообразная часть получается более узкой. Теперь смотрите, что будет происходить с диффузором, когда катушка начнет «таскать» его туда-сюда: диффузор, к которому прикреплена маленькая катушка, будет испытывать сильные механические нагрузки, он будет изгибаться, края будут не успевать за движением центральной части, и в звуке появятся так называемые изгибные моды – паразитные призвуки, порожденные искривлением диффузора.

С большой же катушкой механические нагрузки будут распределяться по диффузору равномернее, он уже не будет так сильно изгибаться, а это значит, что и искажений будет меньше.

Но у крупных катушек есть и серьезные недостатки, справиться с которыми либо очень трудно, либо дорого, либо и то, и другое вместе. Для того чтобы понять их суть, кое-что проясним. Сила, с которой катушка будет толкать диффузор (F), зависит от трех вещей: от величины магнитной индукции в зазоре, в котором ходит катушка (B), от длины намотанного на катушку провода (L) и, собственно, от силы тока через катушку (I):

Из этих трех величин нам особенно интересны первые две – B и L, поскольку как раз именно они-то и зависят от конструкции динамика. Их произведение называют силовым фактором динамика.

Собственно, вся проблема в том, что в динамиках с большой катушкой магниту приходится «работать» на большую площадь, соответственно, магнитный поток в зазоре, в котором двигается катушка, имеет меньшую плотность, а значит, и магнитная индукция В меньше. Отсюда меньше будет и силовой фактор, то есть «мотор» динамика будет слабее. Увеличить величину силового фактора можно двумя способами – либо применять более сильные, а значит, и дорогие магниты (увеличиваем В), либо увеличивать длину намотанного на катушку провода (L).

Последний способ вроде бы проще, но если просто намотать больше витков, то катушка будет заметно толще, придется увеличивать зазор, а это приведет к еще большему снижению в нем индукции. Получается замкнутый круг – и количество витков нужно увеличить, и толщину катушки оставить прежней. Уменьшать сечение провода нельзя, это приведет к росту его сопротивления, а значит, к потерям. Что же делать?

Многие производители решают эту проблему путем увеличения плотности намотки, применяя провод, например, с плоским или шестигранным сечением. К сожалению, это сказывается на стоимости ничуть не меньше, чем применение более сильных магнитов. Вот и получается, что динамиков с крупными катушками, и уж тем более с обращенными магнитными системами, среди бюджетных моделей вы, скорее всего, просто не найдете.

ПОЧЕМУ ДИФФУЗОРЫ РАЗНЫЕ?

	Центральный колпачок не просто «прикрывает дырку» в диффузоре, чтобы в магнит- ный зазор не сыпался всякий мусор (хотя и это, конечно, тоже), он является в первую очередь неотъемлемым эле- ментом жесткости диффузора.

Итак, каким требованиям должны удовлетворять диффузоры? Во-первых, они должны быть жесткими, иначе они будут изгибаться при работе, а значит, появятся искажения. Во-вторых, легкими, потому как легкий диффузор повторит своим движением электрический сигнал гораздо точнее, чем тяжелый и инертный. Условия противоречивые, но есть несколько способов их совмещения.

Первый способ – рассчитать кривизну диффузора так, чтобы усилия от звуковой катушки распределялись бы по нему равномерно, чтобы он изгибался при работе динамика намного меньше. Второй способ – сделать диффузор с подштамповками в виде ребер жесткости. Третий способ – диффузор вообще можно сделать составным, состоящим из нескольких элементов, объединенных в единую жесткую объемную конструкцию. Такие динамики можно распознать по отсутствию центрального колпачка. Сказать однозначно, какой из вариантов лучше, а какой хуже, пожалуй, все же нельзя, каждый производитель пробует свои сочетания, и в конечном итоге все зависит от конкретной реализации.

Ну и конечно же еще один очень важный момент – материал диффузора. В поисках оптимального сочетания легкости и прочности некоторые производители применяют даже такие материалы, как кевлар и алюминий. Но и тут появляется один неприятный «подводный камень» – жесткие материалы имеют ярко выраженные внутренние резонансы. Проще говоря, они звонкие. А это в первую очередь влияет на звук – делает его излишне ярким и резким. Так что ко всему добавляется еще одно условие – диффузор должен быть еще и достаточно глухим, лишенным собственных призвуков.

Для этого диффузоры часто делают многослойными, сочетающими в себе жесткий материал с дополнительным демпфирующим покрытием, гасящим нежелательные призвуки. Как вариант – сэндвичевая структура, состоящая из двух плотных слоев с сотовым или вспененным наполнителем между ними. Но технология изготовления таких диффузоров слишком сложная и дорогая для массового продукта, поэтому ей рискуют баловаться далеко не все производители.

Один из самых распространенных материалов диффузоров в автомобильных динамиках – полипропилен, обладающий вполне достаточной жесткостью при относительно неплохом внутреннем демпфировании. Как говорится, дешево и сердито. Впрочем, этот материал встречается не только в бюджетной акустике. Варьируя особенности процесса его производства и используя различные добавки, полипропилен порой удается наделить довольно неплохими свойствами, позволяю-щими использовать его и в более дорогих моделях.

А вообще же, когда речь идет о натуральности звучания, обычно высоко ценятся диффузоры из целлюлозы (по сути, из бумаги). Причина – практически полное отсутствие (по сравнению с большинством других материалов) внутренних резонансов, а значит, и реальная возможность сделать звучание более естественным, или, как еще говорят, менее окрашенным. Но это конечно же не совсем та бумага, из которой делают книги, журналы и газеты. При изготовлении в «нашу» целлюлозу добавляют различные примеси из органических и неорганических волокон – угольных, углеродных, полиамидных, борных, асбестовых и даже хлопковых, тут уж каждый производитель находит свое оптимальное сочетание. И все это опять же ради получения высокой жесткости при сохранении хорошего внутреннего демпфирования. А поскольку суровые автомобильные условия порой бывают далекими от домашнего комфорта и сухости, то для защиты от влаги для бумажных диффузоров часто применяют различные защитные пропитки и покрытия.

НА ЧТО ВЛИЯЕТ РАЗМЕР?

Итак, задача динамика – излучать звуковые волны. Но вся беда в том, что когда мы находимся под углом к нему (а в машине чаще всего именно так и бывает), то до нас доходят как волны, созданные ближним краем его диффузора, так и волны, созданные его дальним краем. Они складываются, и их сложение, если еще не забыли школьные уроки физики, называется интерференцией.

На низких частотах, когда длины волн гораздо больше размеров самого динамика, интерференция почти не заметна, и обычно считают, что диффузор излучает одинаково на все 180 градусов. С повышением же частоты излучаемые волны будут становиться короче, и в какой-то момент они станут соизмеримыми с размерами диффузора. Вот тут и начинаются основные неприятности – сложение волн, излучаемых разными частями диффузора, будет давать о себе знать уже слишком заметно, и динамик начнет заметно проявлять свою направленность.

Проверить это на практике очень просто, например на стенде в любом магазине, торгующем аудиотехникой. Обратите внимание на то, как играет динамик, когда вы стоите строго напротив него. Теперь отойдите в сторону, чтобы видеть его под углом. Заметили, что тембр звучания на средних и высоких частотах немного изменился? Вот это как раз и есть результат этой самой интерференции. И для больших динамиков он будет гораздо заметнее, чем для маленьких.

Какой же вывод из этого можно сделать? А вывод простой: чем более высокие частоты должен воспроизводить динамик, тем меньше должны быть его размеры. Исходя из этой логики, идеальный динамик вообще должен быть точечным. Но, с другой-то стороны, чем большее звуковое давление мы хотим получить, тем большее количество воздуха динамик должен «протолкать», а для этого диффузор должен быть, наоборот, больше. Казалось бы, противоречие? К счастью, нет, потому что «толкать» большой объем воздуха приходится только низкочастотным динамикам.

Так что для того, чтобы получить полноценное воспроизведение во всем звуковом диапазоне от самого глубокого баса и до самых верхних частот, приходится использовать многополосные системы, в которых каждый динамик отвечает за свою часть частотного спектра. Но какое количество полос будет оптимальным, и какие при этом у динамиков должны быть размеры?

На низких частотах динамику приходится «двигать» большой объем воздуха, и крупные диффузоры подходят для этих целей как нельзя лучше. А вот на высоких частотах большие размеры уже могут пойти во вред, поскольку становятся сопоставимыми с длинами излучаемых звуковых волн, тут уже предпочтительнее динамики размерами поменьше. К тому же на высоких частотах диффузору приходится двигаться очень быстро, а маленькие и легкие справляются с этой задачей намного лучше больших и тяжелых.

 Самое большое распространение получили двухполосные системы с мидбасами размером 6,5 дюйма. Этот калибр выбран неспроста – такие динамики уже более-менее сносно воспроизводят бас, но при этом еще не так сильно искажают среднечастотный диапазон. Одним словом, компромиссный размер.

А вот 5-дюймовые динамики позволяют точнее воспроизвести среднечастотный диапазон и более корректно передать «эстафету» твитеру, отвечающему за высокие частоты. Правда, с отдачей на басах у таких динамиков обычно все выглядит немного скромнее.

Зато у более крупных мидбасов, скажем 8-дюймов, напротив, хорошая отдача на низких частотах, но при этом они заметно проигрывают в точности и подробности на средних. Поэтому их лучше использовать не в двух-, а в трехполосных системах.

Поскольку динамики в автомобиле почти всег- да расположены под углом к слушателю, то на средних частотах их направленные свойства проявляются особенно сильно. Чтобы улучшить звучание в этом диапа- зоне, применяют так на- зываемое фазовырав- нивающее тело в виде пули. Принцип его рабо- ты – экранирование для слушателя отдельных участков диффузора. Правда, для того чтобы эта «пуля» действитель- но работала, она должна быть закреплена на кер- не неподвижно (просто центральный колпачок в виде пули ничего не эк- ранирует, он двигается вместе с диффузором, а значит, и сам излучает).

Трехполосная акустика выгодно отличается от двухполосной в первую очередь тем, что в ней за средние частоты отвечают отдельные динамики, от которых уже не требуется воспроизведения баса, из-за чего их нет необходимости делать такими же большими, как мидбасы.

А мидбасы, в свою очередь, в трехполосках уже не обязаны «дотягивать» до твитеров, их главная задача – хорошо басить. Получается, что при грамотном подходе трехполосные системы способны на звучание, недосягаемое для двухполосок в принципе. Они, правда, сложнее в настройке, ведь разные полосы нужно еще согласовать между собой. Но об этом чуть позже.

ЧТО ТАКОЕ КУПОЛЬНЫЕ ДИНАМИКИ?

Все, что мы только что рассмотрели, касается главным образом конусных (или, как их иногда не совсем корректно называют, диффузорных) динамиков. Они неплохо работают на низких и средних частотах, но из-за того, что с ростом частоты в конических диффузорах возникают ненужные изгибные колебания, для качественного воспроизведения высоких частот они уже не годятся. Поэтому в твитерах предпочтение обычно отдается купольной конструкции. Из-за того, что ход излучающего купола у высокочастотников не очень большой, необходимость в центрирующей шайбе в таких динамиках уже отпадает, а сам купол держится на единственном подвесе по его периметру.

	Купольными могут быть не только твитеры, но и среднечастотные дина- мики.
	В акустических системах высокого класса часто можно встретить твитеры, которые называют ринг- радиаторами. Они облада- ют низкими искажениями на высоких частотах и имеют очень интересную диаграмму направленнос- ти: звук от такого твитера как бы «растворяется» в пространстве, даже если динамик «смотрит» прямо на слушателей.

Есть и другая особенность, присущая некоторым (правда, далеко не всем) высокочастотникам. Из-за того, что динамики имеют небольшие размеры, они не могут эффективно рассеивать избыточное тепло. Чтобы решить эту проблему, магнитный зазор, в котором, собственно, и двигается катушка, часто заполняют ферромагнитной жидкостью с хорошей теплопроводностью. Кстати, кроме 

охлаждения жидкость служит еще одной цели – демпфирует колебания, то есть попросту представляет собой амортизатор, контролирующий движение звуковой катушки.

Куполы могут быть изготовлены как из мягких материалов, так и из жестких. Само собой, и у тех, и у других есть как достоинства, так и недостатки. К примеру, мягкие делают из шелка или синтетических материалов и часто пропитывают специальными скрепляющими составами, которые, как правило, составляют know-how каждого производителя. Главное их достоинство – они очень легкие, и к тому же у ткани просто нет никаких собственных резонансов, а это означает, что появляется реальная возможность получить от них натуральное, как говорят, «неокрашенное» звучание.

Некоторое промежуточ- ное положение между мягкими и жесткими мем- бранами занимают мем- браны из майлара – легкого синтетического полиэфирного волокна, созданного в 50-х ком- панией DuPont. Майла- ровые твитеры недороги в изготовлении, и их в больших количествах можно встретить в бюд- жетной акустике. В ка- честве профиля излуча- ющей поверхности для майларового твитера часто выбирается так называемый «сбалан- сированный купол». Его отличительная осо- бенность – широкий под- вес, больше напомина- ющий конусную часть диффузора. Сбаланси- рованный купол чуть более увереннее рабо- тает на нижней границе рабочего диапазона, но при этом имеет худшую, чем у «чистых» куполов, диаграмму направленнос- ти. Такие твитеры почти всегда дополняются апер- турным телом.

Но тканевые куполы имеют большой недостаток – из-за своей мягкости они не могут двигаться с высокой скоростью как единое целое, они просто не успевают повторять своим движением высокочастотный электрический сигнал. Поэтому мягкие тканевые твитеры хоть и обладают живым и натуральным тембром звучания, чаще всего все же не «доигрывают» до самых верхних звуковых частот.

Твитеры с жескими излучающими элементами лишены этого недостатка, к тому же производители уже не так ограничены в выборе их формы. Они могут быть не только выпуклыми, но и вогнутыми, тут каждый находит свои оптимальные решения. Цель – не только получить жесткость, но и получить желаемую характеристику направленности динамика (ведь твитер может быть установлен и под углом к слушателям). Материал применяется самый разный – алюминиевые сплавы, титан и т. п.

Но у жестких твитеров может проявляться та же особенность, которую мы упоминали чуть раньше, – внутренние резонансы материалов. На деле это может приводить к тому, что называют «жестким металлическим характером верхних частот». Производители борются с этим недостатком самыми разными способами – подбором материалов (вплоть до бериллия), дополнительным напылением демпфирующего слоя (например, керамическое покрытие) и т.п.

Говорить однозначно, какие же твитеры все-таки лучше – «мягкие» или «жесткие», было бы неправильно. Любители первых с гордостью называют себя «школой шелкового звука», а любители последних упрекают их в том, что мягкие твитеры не способны передать всю «воздушность» звучания, которая часто ассоциируется со способностью воспроизвести самые верхние частоты звукового диапазона. По сути, и те, и другие правы. Чтобы не решать для себя это противоречие, можно использовать преимущества обоих типов – в качестве основного твитера взять тканевый, а на роль вспомогательного «супертвитера», начинающего работать только с 14–16 кГц, определить высокочастотник с жесткой мембраной. Мне доводилось слышать системы, построенные по такому принципу, и должен сказать, что при грамотном подходе таким способом порой удается добиться весьма впечатляющего звучания верхних частот, покоряющего своей легкостью и естественностью.

На высоких частотах длина звуковой волны становится сопоставимой с размерами самого твитера, и если динамик расположен под углом к слушателю, излучения от ближнего и дальнего краев мембраны будут складываться. На слух это заметно как изменение характера звучания при развороте динамика. Чтобы уменьшить этот эффект, перед мембраной иногда делают небольшое апертурное тело, задача которого – затенять отдельные области купола, когда тот немного развернут. Апертурное тело обычно расположено точно перед центром мембраны, но может быть и несимметричным, что позволяет в небольших пределах менять характер звучания вращением твитера.

 

 ВСЕ ЛИ ЧТО ИЗЛУЧАЕТ ЗВУК МОЖНО НАЗВАТЬ ДИНАМИКАМИ?

	Пьезоизлучатели часто применяют в качестве так называемых «су- пертвитеров», допол- няющих основные вы- сокочастотники для работы на самом верху звукового диапазона. Впрочем, в этом случае они обычно бывают лишь поводом для того, чтобы громко назвать акустику трехполосной, а то и че- тырехполосной. Посмо- трите на площадь их из- лучающей поверхности, и вам сразу станет ясно, насколько исчезающее мал будет их вклад в об- щее звучание системы.
	Чаще всего изодинами- ческие излучатели в автомобильной аудио- технике – это твитеры. Однако есть и несколь- ко моделей среднечас- тотников.

Все конструкции, которые мы только что рассмотрели, носят общее название – динамические звукоизлучающие головки, от него, собственно, и пошло само слово «динамик». Но звук можно получать, не только пропуская ток через катушку, двигающуюся в магнитном поле, но и с помощью других конструкций, которые, по большому счету, и динамиками-то называть уже не всегда бывает корректно.

К примеру, в автомобильной акустике можно встретить пьезоэлектрические твитеры. Вспомните принцип работы обычной кухонной пьезозажигалки: когда вы нажимаете кнопку, в ней деформируется пьезокерамический элемент, и на нем появляется напряжение. В твитере же все наоборот – подаем на пьезокерамический элемент напряжение (собственно, сам звуковой электрический сигнал), под действием которого он начинает деформироваться и двигать приклеенную к нему легкую мембрану, излучающую звук. Искажения у пьезоэлектрических излучателей обычно великоваты, чтобы назвать их аудиофильскими, но зато они дешевые, поэтому их частенько можно встретить в бюджетной автомобильной акустике.

В относительно же дорогой автомобильной акустике можно встретить изодинамические излучатели. У них, правда, тоже есть звуковая катушка, но ее конструкция все же несколько иная, нежели у обычных динамиков, – она представляет собой не провод, намотанный на каркасе, а плоские токопроводящие дорожки, размещенные непосредственно на самой мембране. Достоинство таких твитеров – у них очень маленькая масса подвижной части, а у звуковых катушек практически нулевая индуктивность, что позволяет им легко и с очень маленькими искажениями воспроизводить самые верхние частоты звукового диапазона.

Впрочем, экзотические виды автомобильных звукоизлучателей бывают не только среди высокочастотников. К примеру, в свое время был такой сабвуфер – Phoenix Gold Cyclone. Это роторный (или ротационный) низкочастотный излучатель, в котором основной элемент – это не катушка, которая двигается вдоль своей оси, а… электродвигатель. Представьте себе небольшой шнек, заключенный в трубу, который может поворачиваться в обе стороны, выдавливая или всасывая воздух. Такой сабвуфер имеет весьма приличную отдачу (еще бы, чтобы «двинуть» такой же объем воздуха, обычный диффузор должен быть намного больше). Однако конструкция получилась довольно сложной, поэтому большого распространения Cyclone так и не получил.

В общем, как видите, звук можно получать самыми разными способами. Правда, всевозможные изодинамические, пьезоэлектрические и роторные излучатели в автомобильной акустике – это все же экзотика, и подавляющая ее часть основана на самых обычных динамических излучателях, тех самых, которые мы называем просто динамиками.

 

О ЧЕМ ГОВОРЯТ ПАРАМЕТРЫ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ?

Как вы уже поняли, динамик – довольно сложная система, в которой все должно быть сбалансировано. Значение имеет каждая деталь: сделай диффузор чуть легче или тяжелее, его подвес мягче или жестче, измени количество витков на катушке или ее диаметр, измени форму магнита – и получишь совершенно другой динамик. И как же можно охарактеризовать его свойства? Вот этим вопросом сейчас как раз и займемся.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К АКУСТИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ?

И так, внимательно изучаем упаковку акустических систем. Первым делом, конечно же, в глаза бросается такой параметр, как мощность. Рассчитывая на не слишком подготовленного покупателя, производители нередко связывают ее высокие значения с обещаниями ураганной громкости. 100 Вт, 200 Вт, 500... Кто больше? Но к громкости на самом деле эти цифры не имеют прямого отношения, и написано ли на динамике 100 Вт или 200, на звучании скажется весьма опосредованно. Безусловно, динамик 500 Вт может звучать громче, чем 100-ваттный. Но, заметьте, именно может, и еще не факт, что будет. Более того, от одного и того же усилителя динамики мощностью 50 Вт, скорее всего, будут играть даже громче, чем те, на которых написано 250 Вт. Странно? Тогда давайте разбираться.

Для начала давайте определимся с тем, какую мощность мы вообще будем иметь в виду. А для этого обратимся в который раз к школьным урокам физики. Мощность – это количество энергии, преобразуемой из одной формы в другую за определенное время. В нашем случае динамик получает электрическую энергию от усилителя и тратит ее на две вещи – какую-то часть преобразует в энергию звуковых колебаний (как раз то, что мы от него и ждем), а остальное, к сожалению, уходит в бестолковый нагрев звуковой катушки. Так вот то, что указывается в описании к динамикам, – это как раз та самая электрическая мощность, которая подводится от усилителя к динамикам, а никак не выходная мощность звуковых колебаний, которая просто не может иметь таких величин. Так что если вы увидите, что на какой-нибудь акустике написано «output power», то знайте, что это написано не очень грамотными людьми.

Цифры в инструкции или на упаковке к акустическим системам всегда означают мощность электрического сигнала, подведенного к ним, а не мощность выходного звукового сигнала.

ОТКУДА БЕРУТСЯ ЗНАЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ?

И так, усилитель исправно снабжает энергией динамик, заставляя его излучать колебания, а все, что динамик не превратил в звук, выделяется им в виде тепла. Прибавляем громкость, звуковая катушка греется и в один прекрасный 

момент может просто перегореть. Почему? Да потому что подводимая к динамику мощность в этом случае оказалась слишком велика, и он просто не выдержал. Но где же та граница допустимого?

Собственно, если вы посмотрите в описание любого динамика, то найдете там значение максимальной мощности – это и есть та самая мощность электрического сигнала, которую он в принципе еще может выдержать без повреждений. И как же ее можно корректно померить? Вот тут и начинается «разброд и шатание» среди производителей. Чтобы определить пределы возможностей динамика, одни подают на него синусоидальный сигнал, то есть только с одной частотой, другие шумовой, то есть занимающий целый спектр частот. Одни терзают его долговременно, другие – кратковременно, третьи вообще «стреляют» короткими импульсами длительностью в доли секунды. Соответственно, и результаты получаются разные.

 

Несмотря на то что методов измерения максимальной мощности несметное количество, суть всех их всех одна и та же – подаем на динамики мощный сигнал до тех пор, пока у него что-нибудь не сгорит, не оторвется, не сомнется или не заклинит.

Чтобы внести в это безобразие хоть какой-то порядок, периодически предпринимались (и предпринимаются) попытки ввести различные стандарты, которые бы упорядочили методы измерения мощности. Этим занимались и наш ГОСТСТ, и IEC (Международный электротехнический комитет, МЭК), и немецкий индустриальный стандарт DIN, и американские стандарты AIS (Application Interworking Standard) и EIA (Electronics Industries Alliance), да и вообще кто только этим не занимался. Вот только некоторые из определений, которые встречаются относительно чаще других:

Паспортная (шумовая) мощность (Power Handling Capacity) – предельная мощность, которую еще может выдержать акустика при длительном подведении к ней шумового сигнала. По одним стандартам динамики должны выжить после 100-часовой экзекуции, по другим достаточно продержаться пару часов.

Максимальная синусоидальная мощность (Rated Maximum Sinusoidal, RMS) – знакомая аббревиатура, не правда ли? Определяется терзанием динамиков синусоидальным сигналом в течение часа.

Максимальная долговременная мощность (Long Therm Maximum Input Power) – подаем шумовой сигнал в течение минуты, даем динамикам отдохнуть 2 минуты и повторяем снова. И так 10 раз.

Максимальная кратковременная мощность (Short Therm Maximum Input Power) – секунду подаем шумовой сигнал, минуту отдыхаем. Повторяем все это дело 60 раз.

Впрочем, если с этими методами все более-менее определенно, то применительно к динамикам мощность PMPO (Peak Music Power Output) – не больше, чем трюк маркетологов. Это понятие прилепилось к акустическим системам вообще неправомерно, ведь мы уже отмечали, что у динамиков такой выходной мощности (а в названии фигурирует слово «output») не может быть в принципе. Но если вы все же увидите такую надпись, то под ней обычно подразумевают способность динамиков выдержать, не сгорев, очень короткие импульсы. А поскольку короткие импульсы – это вам не синус в течение часа, и не шум, в котором целый спектр частот идет на акустические системы на протяжении нескольких часов, то и звуковая катушка за время этого короткого импульса не успевает нагреться настолько, чтобы выйти из строя. А чтобы катушка действительно сгорела, нужно стрельнуть импульсом с весьма приличной амплитдой… в общем, значения PMPO получаются несуразно большими, так что этот показатель технически абсолютно бестолковый и бесполезный. Да и, будем откровенны, чаще всего он вообще никем не измеряется, а берется «с потолка».

Впрочем, даже у стандартов, которые вроде бы призваны навести порядок, есть немало тонкостей, оставляющих свободу производителям. Скажем, шумовой сигнал в некоторых случаях можно подрезать по спектру, оставив в нем только самый «выгодный» участок, да и синусоидальный сигнал многие из стандартов позволяют выбрать тоже с самой «выгодной» частотой. Правда, в некоторых случаях на это есть действительно веские основания. Взять, к примеру, маленькие автомобильные твитеры. Согласитесь, вряд ли они выдержат подаваемую на них мощность широкополосного шумового сигнала в несколько десятков ватт, правда? Тем не менее на них действительно пишут такие цифры. А все дело в том, что при испытаниях этот шумовой сигнал «подрезается» по спектру снизу – динамики просто не грузят низкими частотами. Оно и понятно, твитеры для их воспроизведения просто не предназначены. Кстати, добросовестные производители обычно указыают с каким именно фильтром измерена мощность.

ЧТО ТАКОЕ НА САМОМ ДЕЛЕ НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ДИНАМИКА?

И все же каков бы ни был максимум, нам-то динамики все же нужны для того, чтобы музыку слушать, и желательно с минимальными искажениями. А как максимальная мощность соотносится с качеством звука? Да, в общем-то, никак. Искажения? Какие уж тут искажения, когда речь идет о выживаемости динамика вообще.

На небольших уровнях громкости любой динамик обычно играет вполне сносно, а вот при ее увеличении ход у диффузора начинает расти и, условно говоря, в какой-то момент упрется в отведенные ему пределы. А это значит, что в этот момент звук начнет искажаться. Для того чтобы охарактеризовать этот предел, до которого еще можно слушать музыку, а не плюханье бедного диффузора в предсмертных потугах, как раз и существует понятие номинальной мощности.

 

Ее четкое определение есть, например, в ГОСТСТ 16122-87: «номинальная мощность – это заданная электрическая мощность, при которой нелинейные искажения звукового давления не должны превышать требуемых значений».

К сожалению, заниматься измерениями нелинейных искажений, вносимых динамиком, берется мало кто из производителей, и часто их номинальной мощностью называют просто их RMS-мощность. Но это, как вы теперь знаете, на самом деле некорректно.

КАК ПОДБИРАТЬ УСИЛИТЕЛЬ И АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПО МОЩНОСТИ?

Для многих камнем преткновения становится вопрос о подборе акустики в пару к усилителю. Скажем, если в паспорте на усилитель указана определенная мощность, то значит ли это, что и на акустических системах должна быть указана точно такая же? С одной стороны, эти сомнения вполне понятны – раз усилитель работает на динамики, то их параметры должны быть, по идее, как-то согласованы между собой. Но, как видите, сами методики измерения мощностей могут быть абсолютно разные, причем что для усилителя, что для акустики, так что их строгий подбор становится на самом деле занятием пустым и бесполезным. Неким ориентиром могут стать разве что только величины мощности RMS, да и то лишь весьма приблизительно. Рассмотрим пару наглядных примеров.

Пример первый: уживется ли усилитель с мощностью 150 Вт на канал с акустикой, на которой указана RMS мощность 60 Вт? На первый взгляд, такие компоненты не очень подходят друг другу – разница в цифрах больше, чем в два раза, и такой усилитель вроде бы должен обойтись с динамиком просто «как тузик с грелкой». Но не забывайте, что в реальной жизни мы имеем дело с музыкальным сигналом, и если вы не собираетесь озвучивать полгорода, то усилитель будет работать на среднем уровне мощности лишь в единицы ватт. Запас же нужен главным образом для нормального воспроизведения коротких пиков сигнала, которые в музыке превышают средний уровень в десятки раз, мы об этом, кстати, уже говорили в начале главы об усилителях. Несмотря на то что эти пики могут быть больше заявленной мощности динамиков, акустика «переварит» их без ущерба для себя, как раз именно потому, что они короткие. Так что сильно бояться не стоит – если не выкручивать регулятор чувствительности на максимум, то ничего страшного не произойдет, даже наоборот – качество звучания с таким усилителем, имеющим мощностной запас, заметно улучшится.

 Ничего страшного в том, что усилитель будет «мощнее» акустики, в общем-то, нет. Даже наоборот, небольшой запас – это хорошо.

А вот вам другой пример: можно ли подключить эти же 60-ваттные динамики прямо к усилителю головного устройства, у которого выходная мощность RMS составляет лишь около 20 Вт? И тут ответ тоже будет положительный – можно. Но, как оказывается, тут есть и свои минусы.

Когда усилитель достигает предела своих возможностей, электрический сигнал на его выходе начинает ограничиваться, «верхушки» сигнала начинают срезаться. В этом случае говорят, что усилитель клиппирует сигнал. При этом в его спектре появляются высокочастотные гармоники.

Маломощный усилитель магнитолы начинает ограничивать сигнал довольно рано, и если увлечься с громкостью, то в спектре его выходного сигнала появятся гармоники с весьма приличным (хотя скорее даже наоборот, с неприличным) уровнем. В худшем случае мы вообще будем слышать это как хрипы даже «невооруженным ухом». И если низкочастотные динамики, как правило, это издевательство еще снесут, то твитерам достанется по полной, и они запросто могут приказать долго жить.

Впрочем, мидбасовым динамикам тоже может достаться, только несколько иначе – слишком слабые усилители магнитолы не обладают достаточной «силой», чтобы нормально контролировать ход их диффузоров, и диффузоры будут двигаться не столько под действием электрического сигнала, сколько под действием собственной инерции. Поэтому даже при небольшом увеличении громкости диффузоры обычно начинают активно «разбалтываться», слабый усилитель прос-

то не в силах «вести» их точно вслед за сигналом, и если вовремя не убавить громкость, то порвать динамики слабым усилителем окажется парой пустяков.

Вот почему акустические системы, подключенные просто к магнитоле, выходят из строя намного чаще, чем подключенные к отдельному более мощному усилителю. Как видите, дело не в том, что динамики оказываются слишком слабыми и, как говорят, «не держат мощу», слабым-то оказывается как раз сам усилитель.

ЧТО ТАКОЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДИНАМИКА?

Мощность акустических систем – безусловно, параметр очень важный, но он характеризует лишь их выносливость. А вот о том, насколько эффективно поданная на них мощность преобразуется в звук, говорит другой параметр – чувствительность. Иными словами, чувствительность показывает, насколько динамик будет громким при его подключении к одному и тому же усилителю.

Измеряется она так. На динамик подается сигнал (чаще всего синусоидальный) мощностью строго 1 Вт, и на расстоянии 1 м по его оси измеряется создаваемое им звуковое давление (бывает, что и 0,5 м, но отнесем это к не совсем честным уловкам производителей). Полученное значение и есть чувствительность динамика. Измеряется она в децибелах.

 

Теперь разберемся с цифрами. Мы уже говорили, что шкала измерения звукового давления имеет логарифмический масштаб, и увеличение амплитуды колебаний вдвое – это прибавка звукового давления на 3 дБ. То есть если мы возьмем динамик с чувствительностью, скажем, 90 дБ/1 Вт/1 м и подведем к динамику не 1, а 2 Вт, то получим от него уже не 90, а, 93 дБ. Повысим мощность еще в два раза (4 Вт) получим уже 96 дБ.

На практике такая, казалось бы, небольшая разница в 3 дБ окажется очень даже существенной. Например, чтобы динамики с чувствительностями 86 и 89 дБ за-

играли одинаково громко, первым придется подобрать усилитель вдвое (!) мощнее.

При прочих равных динамики с более высокой чувствительностью сыграют от одного и того же усилителя громче.

 

Так что если в аудиосистеме не предполагается внешнего усилителя, а динамики будут подключаться прямо к головному устройству, то лучше всего подбирать модели, ориентируясь не на их мощность, а на их высокую чувствительность. Более того, динамики со слишком большой мощностью обычно работают от головного устройства даже хуже. Не верите? Подключите к нему какой-нибудь сабвуферный динамик с RMS мощностью, скажем, 500 Вт, и все сразу поймете – диффузор будет едва двигаться.

Но есть в определении чувствительности одна хитрость, на которую часто идут производители. Дело в том, что для домашних акустических систем типичное значение номинального сопротивления составляет 8 Ом. При этом на динамик подается переменное напряжение 2,83 В, то есть на 8 Ом это как раз и будет 1 Вт. Поэтому исторически так сложилось, что для таких динамиков величину чувствительности указывают как в дБ/Вт/м (звуковое давление в децибелах на расстоянии 1 м от динамика при подаче на него сигнала мощностью 1 Вт), так и в дБ/2,83В/м (давление в децибелах на расстоянии 1 м от динамика при подаче на него сигнала с напряжением 2,83 В). Для «домашек» с их 8-омными динамиками это будет одно и то же.

Но в нашей-то с вами автомобильной акустике чаще всего применяются не 8-, а 4-омные динамики. При этом если подать на такой динамик те же 2,83 В, то на него пойдет мощность уже не 1 Вт, а целых 2 Вт, и значение получится на 3 дБ больше. То есть если указано, например, что чувствительность составляет 89 дБ/2,83В/м, то для 4-омного динамика это будет то же самое, что и 86 дБ/Вт/м. А для 2-омных динамиков эта разница будет уже 6 дБ. Обращайте на это особое внимание при выборе акустических систем.

При выборе акустических систем смотрите не только на само значение чувствительности, но и на то, при каких условиях она измерена. Правда, далеко не все производители их указывают, и в этом случае сама величина чувствительности, к сожалению, теряет свой смысл.

ЧТО ТАКОЕ ПАРАМЕТРЫ ТИЛЯ-СМОЛЛА?

Мощность, чувствительность – это, конечно, важные характеристики. Но это еще далеко не все, чем характеризуются динамики. Например, очень многие из них имеют близкие величины мощности и чувствительности, но при этом все они абсолютно разные. Так что давайте смотреть, какие еще у динамиков есть параметры.

В 60-х годах Нэйвилл Тиль предложил использовать одну интересную математическую модель, которая описывала бы работу динамика. А в начале 70-х вместе с его коллегой Рихардом Смоллом она была доработана и используется по сей день как самая удобная. Эта модель основана главным образом на трех парамет-рах, которые так в их честь и называются - параметры Тиля-Смолла:

резонансная частота динамика (Fs),

добротность (Qts),

эквивалентный объем (Vas).

Каждый динамик представляет собой колебательную систему, имеющую на разных частотах разные свойства. Помните школьный опыт с маятником? Давайте его повторим. Возьмите какую-нибудь сумку и положите в нее что-нибудь, имеющее ощутимый вес. Теперь попробуйте раскачать ее очень частыми движениями. А теперь очень медленными. Не получается? И не получится, потому что сумка имеет свою массу и охотно будет раскачиваться только с одной определенной частотой. Это называется «входить в резонанс», а частота, с которой ваша сумка будет раскачиваться охотнее всего, и есть частота резонанса. Наигрались? Тогда снова вернемся к динамикам.

В любом динамике, по сути, происходит то же самое – диффузор имеет определенную массу и крепится на подвесе, который обладает определенной упругостью, а это значит, что у всего этого хозяйства есть своя резонансная частота, которая обозначается Fs. Чем легче диффузор и жестче подвес, тем она выше, а чем тяжелее диффузор и мягче подвес – тем она ниже. Для больших сабвуферов резонанс может быть около 20–50 Гц, для мидбасов – 40–100 Гц. Среднечастотники в зависимости от конструкции будут иметь Fs где-то между 100 и 1000 Гц, ну а для твитеров, за редким исключением, эта величина будет еще выше.

Диффузор динамика имеет определенную массу и крепится на подвесе, имеющем некоторую упругость. А это значит, что для всей этой подвижной колеблющейся системы есть и частота, на которой она будет входить в резонанс. Эта частота обозначается как Fs.

Теперь внимательно посмотрим на подвес, на котором держится диффузор. Не правда ли, очень похоже на автомобильную подвеску? А что есть в любой подвеске? В ней есть пружины, которые придают ей упругость, и есть вязкие амор

тизаторы. Задача амортизаторов – демпфировать, гасить собственные колебания, без них даже на самой маленькой кочке автомобиль начнет раскачиваться.

В динамике, в общем-то, то же самое. Если сделать подвес диффузора, например, из обычной упругой резины, то любой легкий толчок будет вызывать резонанс, диффузор будет болтаться как автомобиль без амортизаторов. Но нам-то этого не нужно, он должен не трепыхаться сам себе на уме, а точно повторять своим движением форму электрического сигнала. Поэтому гофры и центрирующие шайбы динамиков делают из материалов, обладающих не столько упругостью, сколько вязкостью.

Само соотношение упругих и вязких сил показывает величина механической добротности, Qms – чем лучше «амотризатор» динамика гасит собственные колебания, тем добротность ниже. И соответственно, чем подвес динамика упруже, тем механическая добротность выше.

Но это еще полдела. Тормозить собственные колебания диффузора будет еще и сам усилитель. Каким образом? Вспомним, во что превращается электродвигатель, который раскручивают насильно? Он превращается в генератор, сам начинает вырабатывать ток. Вот точно так же ведет себя и динамик, который входит в резонанс. Но подключен-то он к усилителю, а у усилителя выходное сопротивление очень маленькое, то есть мы как бы замкнули им выходы нашего генератора накоротко. А что будет происходить с генератором, выходы которого сильно нагружают? Он будет тормозиться. И вот насколько эффективно это будет происходить, как раз и характеризуется электрической добротностью динамика, Qes.

Добротность динамика показывает его способность к гашению собственных резонансных колебаний диффузора. Чем лучше он их демпфирует, или, иными словами, «тормозит», тем добротность ниже. Результирующая добротность обозначается как Qts (total) и образуется из двух составляющих – Qms (mechanical) и Qes (electrical).

Как видите, способность динамика демпфировать, гасить колебания собственного диффузора складывается из двух составляющих – механической и элект-рической. Электрическое «торможение» диффузора вносит на порядок больший вклад в общую характеристику динамика, чем механические свойства подвеса. Поэтому механическая добротность для динамиков обычно бывает порядка 3–15 (амортизатор так себе, не очень вязкий), в то время как электрическая – 0,2–1 (вязкий амортизатор, хорошо гасит ненужные колебания). Ну а результирующую добротность можно найти по формуле:

Третий из основных параметров Тиля-Смолла – это эквивалентный объем, Vas. Любое вещество обладает своей жесткостью, способностью к сжатию. Воздух, естественно, не исключение – его тоже можно сжимать и разжимать. Любой школьник, у которого по физике не двойка, вам скажет, что большой объем воздуха сжать легче, а маленький объем воздуха будет обладать большей жесткостью. Так вот, эквивалентный объем динамика – это такой объем воздуха, который при воздействии на него диффузора обладает жесткостью, равной жесткости подвеса.

Зависит эквивалентный объем от двух вещей. Во-первых, от собственно механических свойств самого подвеса: чем он мягче, тем эквивалентный объем больше. Во-вторых, от размера диффузора. Большой диффузор сжимает воздух сильнее, чем маленький, и для него такой же жесткостью, что и подвес, будет обладать уже больший объем воздуха. Измеряется Vas, естественно, в литрах (или в кубических метрах, дюймах, футах, тут уж как вздумается производителю).

Эквивалентный объем динамика – это такой объем воздуха, который при воздействии на него диффузора обладает такой же жесткостью, что и подвес. Зависит от жесткости подвеса и размера диффузора.

ЧТО ТАКОЕ ИМПЕДАНС?

Когда вы выбираете акустические системы для своего автомобиля, то важно обратить внимание еще на один параметр – импеданс. В общем-то, это не что иное, как электрическое сопротивление, так что и измеряется оно, соответственно, в омах. Звуковая катушка динамика – это не что иное, как катушка индуктивности, а ее свойства (вспоминаем уроки физики) всегда зависят от частоты. Когда напряжение на клеммах динамика изменяется медленно (низкие частоты), звуковая катушка этому почти не сопротивляется. Зато быстрому изменению напряжения она будет препятствовать уже сильнее, поэтому с ростом частоты ее сопротивление тоже увеличивается. Типичный график зависимости импеданса динамика от частоты выглядит вот так:

С ростом понятно, но откуда взялся «бугор» в самом начале графика? Мы уже говорили, что динамик имеет свою резонансную частоту Fs, и на этой частоте диффузор будет стараться войти в резонанс, раскачаться. Еще мы отмечали, что когда он начнет это делать, то будет работать как генератор, и на выводах его звуковой катушки возникнет противодействующее напряжение. А как вос

примет это противодействие усилитель? Конечно же, не иначе, как увеличение сопротивления динамика. Вот из-за этого-то и получится пик на графике, причем как раз с центром на частоте Fs.

В общем, как видите, импеданс динамика – штука непростая. Но почему же тогда так однозначно говорят, что, мол, у этих динамиков импеданс – 4 Ом, а у тех, например, 8 Ом? Откуда берутся эти цифры? Это на самом деле номинальный импеданс. Он определяется по участку графика чуть выше резонансного пика, но еще ниже тех частот, на которых уже будет сказываться индуктивность звуковой катушки. В литературе обычно дается определение, что номинальный импеданс – это минимальное значение на графике Zmin, но на практике его чаще всего округляют до ближайших целых значений. Так и получаются эти самые 2, 4, 6 и т. д. Ом.

Сопротивление динамика зависит от частоты сигнала, и его называют уже не сопротивлением, а импедансом, а график его зависимости от частоты – Z-характеристикой. Номинальный импеданс определяется по участку Z-характеристики выше резонанса, но ниже того участка, где начинается заметное влияние индуктивности звуковой катушки.

ЧТО ТАКОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ?

И так, в общих чертах мы уже разобрались с тем, что из себя представляет динамик, теперь давайте его включим. Диффузор начнет исправно вибрировать, пытаясь создать звуковые колебания, и вроде как что-то даже заиграет, но… вам не кажется, что динамик заработает как-то не так? Например, в звуке совсем не будет низких частот, да и в остальном диапазоне будет твориться непонятно что. В чем же дело?

А все дело в том, что диффузор динамика излучает звук не только своей передней частью, но и тыльной стороной. Причем в тот момент, когда передняя часть диффузора толкает перед собой воздух, его тыльная сторона «утягивает» его за собой. И, соответственно, наоборот, когда диффузор идет в обратную сторону. Эти колебания от передней и тыльной сторон складываются, и, вместо того чтобы нормально излучать звуковую волну, динамик просто гоняет вокруг себя воздух. Это называется акустическим коротким замыканием.

ЧТО ТАКОЕ FREE-AIR?

Для того чтобы динамик нормально излучал звук только своей передней частью (для этого, в общем-то, и предназначенной), нужно как-то избавиться от излучения его тыльной стороны. Избавиться-то на самом деле не получит

ся, а вот отгородиться от него вполне можно. Самый простой способ – вставить динамик в большой плоский щит, который в этом случае будет называться экраном для динамика. Этот экран должен быть крепким и глухим и не должен вибрировать. Когда мы установим в него динамик, то излучение обратной стороны диффузора будет изолировано, и мы наконец-то услышим, как этот динамик на самом деле играет. Такой способ установки, когда тыльная сторона отгорожена от фронтальной и работает в свободное пространство, называется открытый экран, или free-air. Это самый простой тип акустического оформления.

Типичный пример установки free-air в автомобиле – сабвуфер или динамики в задней полке. В этом случае передняя часть его диффузора работает в салон, а все, что излучается тыльной стороной, остаеется там, в багажнике. И хоть багажник – это не совсем свободное пространство, а все же замкнутое, оно для динамика все равно настолько большое, что этим в подавляющем большинстве случаев можно спокойно пренебречь.

Теперь давайте определимся, каким должен быть динамик, чтобы он нормально работал в акустическом оформлении типа free-air. Вот тут как раз самое время обратиться к параметрам Тиля-Смолла, а если конкретнее, то к добротности, Qts.

Обычно считается, что самая оптимальная добротность динамика для установки его во free-air составляет порядка 0,7. Но что будет, если мы возьмем добротность чуть выше? Более высокая добротность будет означать, что динамик будет хуже гасить собственные резонансные колебания. Они будут как бы накладываться на звуковой сигнал, и это, конечно же, отразится на звуке, главным образом на низких частотах (как раз в области резонанса) – бас будет бубнящим, гулким. Большой добротностью можно считать значения Qts выше 0,8.

Но и выбирать динамик со слишком низким Qts тоже не стоит. Система окажется излишне задемпфированной (вязкой), бас потеряет в своей плотности, а звуковое давление будет плавно спадать с понижением частоты. Получим плохую отдачу на самых низких частотах и относительно невысокую перегрузочную способность. Поэтому динамики с Qts ниже 0,55 для устанавки free-air – тоже не самое лучшее решение.

Для установки free-air выбирайте динамики с добротностью порядка 0,7. Если в вашей фонотеке преобладают жанры, требующие предельной деликатности и точности воспроизведения, то можете выбрать динамики с Qts, равным 0,55–0,65. Если же преобладают жанры с тугим напористым басом, то можете выбрать динамики с добротностью порядка 0,75–0,8.

ЧТО ПОЛУЧИТСЯ, ЕСЛИ ПОСТАВИТЬ ДИНАМИК В КОРПУС?

Когда мы говорим об установке free-air, то всегда подразумеваем, что с обратной стороны динамика у нас будет открытое пространство. Ну или, по крайней мере, объем на порядок больше, чем Vas динамика. Но что, если сзади динамика будет замкнутый объем, соизмеримый с величиной Vas? Такой тип акустического оформления называется просто и незатейливо – закрытый ящик (ЗЯЗЯ, closed box).

Если поместить дина- мик в корпус, объем которого равен эк- вивалентному объему Vas, то добротность и резонансная частота системы «дина-мик+ корпус» поднимутся в 1,4 раза. Если корпус будет вдвое меньше, чем Vas, то в 1,7 раза. А если объем корпуса будет составлять треть от Vas, то добротность и резонансная частота удвоятся.

Его особенность в том, что воздух, «запертый» в корпусе, при работе динамика будет подпирать его диффузор с обратной стороны, то есть будет работать как... дополнительная «пружина» подвеса диффузора! И чем меньше будет ящик, тем эта «пружина» будет упруже.

Что же произойдет с резонансной частотой и добротностью при таком увеличении упругости? Они при этом, конечно же, тоже увеличатся. Для системы «динамик плюс ящик» они будут обозначаться уже не Fs и Qts, а Fc и Qtc, соответственно. Проверить, что получится, если поставить динамик в корпус объемом Vb, можно по формулам:

Когда вы будете рассчитывать необходимый объем корпуса, то все, что упоминалось об оптимальных значениях чуть раньше, остается в силе – старайтесь, чтобы добротность Qtc оказалась примерно в районе 0,7 – это, как показывает практика, самое оптимальное значение. Ну и, конечно же, следите при этом за резонансной частотой Fc: для сабвуферов она должна быть не выше 50 Гц (выше получается уже не совсем сабвуфер), а для мидбасов лучше уложиться до 80–90 Гц.

Для того чтобы «навскидку» определить, будет ли нормально работать тот или иной динамик в корпусе, существует условный параметр EBP:

Экспериментально было определено, что для закрытого ящика подходят динамики, у которых EBP не больше 100. Еще лучше, если он вообще меньше 50.

ЧТО ТАКОЕ ФАЗОИНВЕРТОР И КАК ОН РАБОТАЕТ?

И так, установкой динамика в закрытый ящик мы добились того, что, как и в случае с открытым экраном, звук излучает только передняя сторона диффузора. Излучение же тыльной стороны при этом изолируется. Но можно ли сделать так, чтобы колебания давления внутри ящика не были бы напрасными, а помогали бы излучению лицевой стороны диффузора? Оказывается, можно.

Давайте, к примеру, посмотрим, что получится, если мы проделаем в корпусе отверстие и вставим в него трубу. Такая труба будет называться портом фазоинвертора. Когда диффузор будет двигаться вперед-назад, то он будет создавать давление попеременно то перед собой, то внутри корпуса. Так вот, когда давление будет создаваться внутри, то воздух устремится через порт наружу. Но поскольку объем порта значительно меньше, чем объем корпуса, то наружу этот фронт высокого давления будет выходить с некоторым запозданием. А за это время диффузор динамика уже успеет снова пойти вперед, и получится, что давление от передней части диффузора и давление от «выхлопа» из порта сложатся, что даст некоторую прибавку в громкости.

Собственно, как раз поэтому порт и называется фазоинвертором – он как бы переворачивает, инвертирует фазу излучения обратной стороны диффузора, и на выходе оно не «гасит» излучение его передней части, как при акустическом коротком замыкании, а складывается с ним. Само же такое акустическое оформление называют фазоинверторным (ФИ, vented box).

У фазоинверторов есть несколько важных особенностей. Во-первых, воздух через порт будет достигать его выхода каждый раз за одно и то же время. Это означает, что точное совпадение движения диффузора и «выхлопа» может быть только на какой-то одной частоте. Эту частоту называют частотой настройки фазоинвертора и обозначают как Fb.

Во-вторых, упругость воздуха внутри порта будет «чувствоваться» динамиком только на частотах выше Fb. Для слишком медленных низкочастотных колебаний диффузора порт не будет оказывать заметного тормозящего действия, и получится что-то вроде акустического короткого замыкания. Поэтому ниже Fb отдача фазоинверторного акустического оформления обычно заметно спадает.

При подключении сабвуфера в фазоинверторном оформлении желательно включать в усилителе сабсоник, убирающий из сигнала слишком низкие частоты. Это не только облегчит жизнь динамику, но и в конечном счете хорошо скажется на звучании – снизит искажения и повысит допустимую мощность. 

Теоретически порт фа- зоинвертора предпоч- тительнее выводить в одну плоскость с дина- миком, однако если речь идет о сабвуфере, то на частотах, на кото- рых ему предстоит ра- ботать, это становится уже не так критично, поэтому порт вполне допустимо вывести, на- пример, на боковую стенку. Правда, в лю- бом случае относить его слишком далеко от динамика все же не стоит.

От чего же зависит частота настройки фазоинвертора? В первую очередь, конечно же, от размеров и пропорций самого порта. Скажем, чем он длиннее и уже, тем воздуху придется преодолевать большее сопротивление, больше будет его задержка, а значит, и частота Fb получится ниже. Чем порт шире и короче, тем меньше сопротивление воздуха в нем, а значит, и фронт давления воздуха будет достигать выхода быстрее – частота настройки получится выше.

Порт фазоинвертора может быть не только крулым, но и иметь, например, прямо- угольное сечение. У прямо- угольного порта есть даже определенные преимущес- тва перед круглым – зна- чительно больший периметр, а значит, больше и погра- ничный слой воздуха, кон- тактирующий со стенками. Этот слой как бы демпфирует колебания воздуха внутри порта, поэтому в прямоуголь- ных портах собственные ре- зонансы колеблющейся воз- душной массы обычно не так выражены, как в круглых (такие резонансы часто еще называют органным эффек- том), их отсутствие позволяет улучшить качество звучания на низких частотах.

Существенное значение будет иметь объем корпуса. Например, для того чтобы добиться одной и той же частоты настройки порта в маленьком и большом корпусе, в первом случае порт придется делать длиннее. А чем больше будет корпус, тем порт будет короче, вплоть до того, что он может представлять собой вообще только лишь отверстие или щель в стенке.

КАК РАССЧИТАТЬ ОПТИМАЛЬНОЕ ФАЗОИНВЕРТОРНОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ?

Как видите, при расчете фазоинверторного акустического оформления появляется намного больше степеней свободы, чем при расчете закрытого ящика. Конечный результат будет зависеть уже не только от объема корпуса, но и от размеров и пропорций порта. Для удобства можно использовать различные компьютерные программы расчета акустического оформления, которые без труда можно найти в Интернете, причем, как платные, так и бесплатные. Впрочем, перебирать «вслепую» различные варианты сочетаний можно очень долго, так что для получения оптимальных параметров фазоинверторного корпуса, лучше все же придерживаться некоторых основных принципов.

 

Во-первых, нужно определиться, подойдет ли динамику фазоинверторное акустическое оформление вообще. Обычно для него рекомендуется выбирать динамики с добротностью Qts порядка 0,3–0,5. К тому же можно снова обратиться к величине EBP. Если она получается больше 50, то для этого динамика фазоинвертор уже вполне можно попробовать, а если больше 100, то динамик вообще можно считать созданным исключительно для этого акустического оформления.

Во-вторых, нужно прикинуть объем Vb. Для того чтобы получить четкий, сочный и упругий бас, рекомендуется рассчитать его точно так же, как это делается для закрытого ящика, но чтобы результирующая добротность Qtc получилась бы в пределах 0,6–0,65. Сделаете этот объем больше – получите неразборчивый, затянутый бас. Сделаете меньше – звучание будет слишком жестким и тоже не особо приятным.

В-третьих, после того как вы определились с объемом Vb, приступайте к расчету порта фазоинвертора. Как показывает практика, наилучших результатов в плане качества звучания можно добиться, если сделать его настроенным на частоту, равную Fs или немногим меньше.

Теперь, зная объем корпуса Vb и частоту настройки Fb, можно прикинуть размеры порта. Для начала необходимо определиться с его сечением. Это важный этап расчетов – если порт будет слишком узкий, то воздух через него будет гоняться слишком быстро, появятся струйные шумы. Если ориентироваться на качество звучания, то слишком большое сечение брать тоже не стоит – большая масса воздуха внутри порта сильнее проявит свои резонансы, могут появиться нежелательные призвуки, ухудшится разборчивость, пропадет четкость баса.

 

И так, отчего зависит оптимальное сечение порта? Во-первых, от количества воздуха, который динамик будет «проталкивать» через порт, то есть от диамет-ра диффузора (можно просто померить линейкой) и его максимального хода (приводится в описании как Xmax). Во-вторых, от скорости, с которой воздух будет проталкиваться через порт, то есть от частоты Fb. Если зададимся тем, что скорость воздуха на выходе порта не должна превышать 6 м/с, то формула минимальной его площади будет выглядеть примерно следующим образом:

		Ориентируясь на форму- лы, нередко получается, что для многих современ- ных сабвуферов, допус- кающих большой ход диф- фузора, оптимальное се- чение порта может соста- вить 0,5–1 от площади са- мого диффузора. Но по- скольку формула опира- ется на величину макси- мального смещения диф- фузора Xmax, а в реальной жизни динамик почти ни- когда не эксплуатируется на максимуме, сечение можно немного и умень- шить. Правда, в этом слу- чае увеличивается и риск появления воздушных шу- мов на краях порта, но эта проблема решается скруг- лением его краев.
		Порт фазоинвертора мож- но расположить не только внутри корпуса, но и сна- ружи. Портов может быть и несколько, в этом случае при расчетах учитывается их суммарное сечение.

 

Если в качестве порта предполагается использовать круглую трубу, то ее диаметр составит:

В обеих формулах все размеры подставляются в метрах, а частота Fb, понятное дело, в герцах. Параметр Xmax – это максимальное смещение диффузора от нулевого положения, поэтому если в описании указан максимальный ход «от края до края», то разделите это значение на два.

 

Теперь, определившись с сечением порта, можно найти и его длину:

Главное, при расчетах нужно следить за тем, чтобы порт не получился слишком длинным, например в литературе можно встретить рекомендацию не превышать 0,1 от длины волны на частоте Fb:

 

 

При изготовлении корпуса не забывайте, , что его внутренний объем должен складываться из рассчитанного объема Vb и объема, который займет порт фазоинвертора! 

 

ПОЧЕМУ ПРАКТИКА МОЖЕТ РАЗОЙТИСЬ С ТЕОРИЕЙ?

Рассчитывая фазоинверторное оформление, нужно сразу иметь в виду – полученные значения лишь весьма приблизительные, конечный результат почти всегда будет отличаться от ожидаемого. Дело в том, что сама модель расчета не учитывает очень многих факторов. Достаточно подробная статья по этому поводу была написана в свое время итальянцем Жан-Пьеро Матараццо, ее русскоязычный вариант был опубликован в журнале «АвтоЗвук» в 2001 году. Статью без труда можно найти в Интернете, поэтому сейчас остановимся лишь на основных моментах.

Первое, из-за чего расчет разойдется с реальностью, это так называемый краевой эффект. Его суть заключается в том, что если край порта не «висит» в воздухе, а выведен заподлицо с плоскостью, то воздушные потоки на его выходе формируются таким образом, как если сам порт был бы длиннее. Опытным путем было определено, что для круглого порта разница может составлять до 0,85 от его диаметра. Если же сделать фланцы с обеих сторон порта, то эта разница будет еще больше.

В принципе, примерно то же самое получается и для щелевого порта, если разместить его вплотную к стенке корпуса. Разница с расчетом составит около 15%.

Когда мы рассматривали, как ведет себя динамик вблизи частоты резонанса и как из- меняется при этом его импе- данс, то отмечали, что на частотах, близким к резо- нансным, звуковая катушка превращается из «мотора», толкающего диффузор, в ге- нератор, который вырабаты- вает противодействующее напряжение. Но на частоте Fb диффузор-то почти не двигается, а значит, динамик на ней уже не генерирует противодействующее напря- жение, грубо говоря, не «со- противляется» подаваемому на него сигналу. Из-за этого на частоте Fb импеданс па- дает, и график принимает двугорбый вид, причем на частоту настройки порта фа- зоинвертора как раз и при- дется впадина между гор- бами.

Из такого эффекта виртуального удлинения порта можно извлечь немалую пользу. Ведь иногда при расчетах его теоретическая длина получается слишком большой, а за счет краевых эффектов реальный порт можно спокойно сделать короче при сохранении той же частоты настройки. Кстати, уменьшить реальную длину порта можно и другими способами, описанными тем же Матараццо. Скажем, можно применить порт в виде усеченного конуса круглого или прямоугольного сечения, это может дать виртуальное увеличение по сравнению с обычным на целых 30–35%. Или применить порт типа «песочные часы», который можно сделать короче в среднем уже на 35-40% при той же частоте настройки.

 

КАК ПРОВЕРИТЬ РЕЗУЛЬТАТ?

Ну и, собственно, после постройки фазоинверторного сабвуфера (а может и не только сабвуфера, но и, скажем, фазоинверторных корпусов для мидбасовых динамиков) было бы неплохо узнать получившуюся реальную частоту настройки порта. Для этого вам понадобится диск с записанными на него синусоидальными сигналами разных частот (можно найти подходящий тестовый или же в крайнем случае записать свой, для чего можно использовать любую программу работы со звуком, например CoolEdit или SoundForge). Подключите сабвуфер к аудиосистеме и поочередно подавайте на него разные частоты. Внимательно следите за динамиком и засеките ту частоту, на которой ход диффузора будет самый минимальный. Это и будет частота настройки порта Fb.

Но, казалось бы, как же это получается? Диффузор на этой частоте почти не двигается, а сабвуфер ее все равно излучает? Да, это действительно так, просто на этой частоте излучает не диффузор, а порт фазоинвертора. Как это происходит, сейчас проясним. Возьмите какой-нибудь мячик и привяжите к нему длинную резинку. Можно бросать мячик вниз, а он за счет резинки снова будет возвращать ся к вам в руку. Теперь постарайтесь не ловить мячик рукой и подобрать такую частоту колебаний, чтобы мячик отлетал на максимально возможное расстояние. Не ловите мячик, просто поддерживайте его собственные колебания. Так вы поймаете резонанс этого мячика на резинке. А теперь обратите внимание: поймав этот резонанс, вы почти не двигаете рукой! То есть вы, конечно, прикладываете усилия к тому, чтобы поддерживать колебания, но при этом вы просто сопротивляетесь сжатию или растягиванию резинки и этим самым сообщаете мячику энергию. Собственно, то же самое происходит и в фазоинверторе на частоте резонанса порта – диффузор динамика просто сопротивляется смене давления и разрежения внутри корпуса, а сам при этом почти что не двигается.

 

На частоте настройки порта фазоинвертора ход диффузора у динамика самый минимальный.

 

 

КАК РАБОТАЕТ OPEN-AIR?

Все, о чем только что шла речь, ориентировано в первую очередь на получение качественного звука. Однако это не всегда может быть приоритетной задачей. Скажем, когда речь заходит о соревнованиях по звуковому давлению (SPL, Sound Pressure Level), то на первый план выходит задача получить от сабвуферов максимальную отдачу.

И тут параметры динамика, как это ни странно, отступают на второй план, зато начинает действовать другой принцип – чем больше корпус, тем выше его эффективность. Порт фазоинвертора при этом становится коротким, вплоть до того, что он может просто представлять собой отверстие в стенке. Если увеличивать корпус еще больше, то поскольку уменьшать длину порта уже некуда, для сохранения частоты настройки Fb приходится увеличивать его сечение. Экстремальный вариант – вырождение фазоинвертора в акустическое оформление типа open-air.

Для таких больших корпусов теория расчета фазоинвертора уже неприменима в чистом виде, ведь для получения высокого результата приходится учитывать не только размеры самого корпуса, но и их соотношение к размерам самого салона. Для получения усиления на резонансной частоте именно в той части салона, где стоит измерительный микрофон, излучения от передней и задней частей диффузора должны прийти туда в одно и то же время, а это возможно, только если будет выполняться соотношение 

 

  Кстати, когда речь заходит о больших корпусах, то нужно учесть один важный момент – упругость воздуха уже не будет сдерживать ход диффузора, как это происходит в небольшом корпусе, и динамик начинает работать почти так же, как если бы он был установлен во free-air. Это накладывает определенные требования на подбор динамика для соревнований по SPL – его подвес должен быть достаточно жестким, для того чтобы выдерживать в таких суровых условиях большой ход диффузора без повреждений. Хотя бы на время замера.

 

ЧТО ТАКОЕ ПАССИВНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ?

Весь принцип работы фазоинверторного акустического оформления основан на резонансных колебаниях воздуха внутри порта. Но ведь ничто не мешает заменить эту воздушную массу на любую другую. К примеру, если мы поставим вместо порта фазоинвертора еще один динамик, имеющий вполне определенную массу подвижной системы и частоту собственного резонанса, но ни к чему его подключать не будем, то он будет работать почти точно так же, как и порт. Называться такой «заменитель» будет пассивным излучателем (ПИ, passive radiator), а все рекомендации по выбору частоты его настройки, в общем-то, остаются точно такими же, как и для фазоинвертора.

Если в качестве пассивного излучателя применить обычный динамик c собственной резонансной частотой Fs и эквивалентным объемом Vas, то частоту настройки такого пассивного излучателя можно рассчитать по формуле:

Вообще же настраивать пассивный излучатель можно двумя способами. Основной способ – механический: меняем массу диффузора и подбираем упругость подвеса. Второй способ – электрический: закорачиваем резисторами звуковую катушку динамика, который мы используем в качестве ПИ. Если с первым все еще более-менее понятно, то второе, пожалуй, нужно пояснить подробнее.

Мы уже говорили о том, что когда диффузор у динамика движется не под действием тока в звуковой катушке, а под действием какой-нибудь внешней силы (скажем, когда он входит в резонанс или, как в нашем случае, его толкает воздух в ящике), то динамик превращается на время в генератор, и на выводах его звуковой катушки появляется напряжение. Так вот, если мы закоротим эти выводы, то этим самым нагрузим наш генератор, а значит, и затормозим его, 

жесткость пассивного излучателя повысится, и мы получим акустическое оформление, близкое к закрытому ящику. Не будем закорачивать – получим характеристику, как у фазоинвертора. Если же мы будем закорачивать выводы катушки через разные сопротивления, то этим сможем гибко менять эту настройку, приближаясь к первому или ко второму варианту в зависимости от номинала резистора (обычно от единиц до десятков ом).

 

ЧТО ТАКОЕ АКУСТИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА И ЗАЧЕМ ОНА НУЖНА?

Основной недостаток закрытого и фазоинверторного оформлений заключается в том, что динамик в них испытывает асимметричную нагрузку – воздух внут-

ри корпуса обладает упругостью, в то время как снаружи – открытое пространство. Такая разница становится одной из причин нелинейных искажений. Чтобы устранить этот недостаток, нужно уравновесить упругость воздуха за динамиком добавлением акустической нагрузки перед ним. Самый простой вариант – установить перед диффузором плоскую панель.

С ней, правда, ухудшается диаграмма направленности, так что лучше использовать не просто панель, а акустический рассеиватель, например конусообразной формы.

Если же динамик поставить, к примеру, в заднюю полку седана, то вместе с задним стеклом она образует клиновую нагрузку, за счет которой можно получить некоторое дополнительное акустическое усиление.

Если же пойти еще дальше и организовать перед динамиком еще один объем, естественно, с выходом наружу, то этот объем будет играть роль резонансной камеры, и получится акустическое оформление, очень близкое к оформлению типа бандпасс, или, как его еще называют, акустическому оформлению полосового типа.

 

ЧТО ТАКОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПОЛОСОВОГО ТИПА, ИЛИ БАНДПАСС?

Акустическое оформление типа бандпасс представляет собой корпус, разделенный перегородкой на две части. Сам динамик стоит в этой перегородке и одной стороной диффузора работает на один объем, другой стороной – на второй. Наружу звук выходит через один или несколько портов, настроенных каждый на свою частоту. Смысл такой конструкции в том, что эти два резонансных объема создают для динамика симметричную с обеих его сторон нагрузку и, условно говоря, как бы концентрируют звуковую энергию, 

которая получает выход наружу через порты фазоинверторов. В таком оформлении становится возможным достигнуть весьма приличной прибавки в звуковом давлении по сравнению с закрытым ящиком и фазоинвертором.

Особенность бандпасса – он работает как акустический фильтр нижних частот, заметно ослабляя высокочастотные звуки, воспроизводимые динамиком. Для сабвуфера это большой плюс, потому как позволяет снизить требования к фильтру нижних частот самого усилителя.

Есть у бандпассов и чисто конструктивное достоинство: динамик скрыт внутри корпуса, и нам уже не нужно думать, как его защитить, снаружи остаются только «сопла» портов фазоинверторов.

Но есть у бандпассов и недостатки, не позволяющие применять этот тип оформления достаточно широко. Во-первых, излучение от динамика всегда будет «выходить» наружу с запозданием – бас получается «затянутым», не таким четким и разборчивым, как, скажем, в закрытом ящике или правильно сконструированном фазоинверторном оформлении. Во-вторых, бандпасс капризен к подбору параметров. Если в закрытом ящике мы можем изменять только объем, в фазоинверторе – объем и размеры порта, то в бандпассе мы будем иметь дело уже с двумя объемами и одним, двумя, а то и тремя портами. А есть еще и трехкамерные бандпассы… И при малейшей погрешности мы получим вместо баса унылое низкочастотное гудение, которое к музыкальности не будет иметь никакого отношения. Даже разминка динамика со временем – и та будет кардинальным образом влиять на результат.

Бандпасс по праву считается одним из самых сложных и капризных типов акустических оформлений, и, несмотря на все его теоретические преимущества, удачных практических реализаций встречается не так уж и много.

ДЛЯ ЧЕГО АКУСТИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ НУЖНЫ КРОССОВЕРЫ И КАК ОНИ РАБОТАЮТ?

Конечно, было бы здорово сделать такую акустическую систему, в которой весь звуковой диапазон идеально воспроизводился бы одним-единственным динамиком. Но на деле, к сожалению, все получается совсем по-другому – либо хорошо воспроизводим верхние частоты, но теряем бас, либо хорошо воспроизводим глубокий бас, но неизбежно теряем высокие. Даже широкополосные динамики, которые так популярны в домашней аппаратуре, и те носят свое название лишь с некоторой натяжкой: частотный диапазон они воспроизводят действительно очень широкий, но, к сожалению, тоже не весь.

Выход один – многополосные акустические системы, в которых твитеры отвечают за самые верхние частоты, а сабвуферы – за самые нижние. Да и то, что между ними, тоже, в свою очередь, может делиться на несколько полос. Но вот проблема: как сделать так, чтобы, например, на мидбас шли только положенные ему низкие и средние частоты, а на маленький твитер попадали бы только верхние?

Чуть раньше мы уже говорили, что этим занимаются частотные фильтры, и даже рассматривали те из них, что есть в некоторых головных устройствах, звуковых процессорах и усилителях. Все они принадлежат к так называемым активным фильтрам, поскольку строятся на активных компонентах – транзисторах и операционных усилителях. Такие фильтры стоят до усилителей и делят частотный диапазон на полосы и подают каждую из них на свой канал.

Но что делать, если у усилителей каналов меньше, чем полос в акустической системе? Очевидно, что в этом случае деление по полосам просто нужно делать не на входе, а на выходе усилителя. А вот этим как раз занимаются пассивные фильтры. Давайте рассмотрим, как они работают.

 

ЧТО ТАКОЕ ФИЛЬТРЫ ПЕРВОГО ПОРЯДКА?

	Мидбасовые динамики в силу своих конструктив- ных особенностей не воспроизводят верхние частоты, и это порой поз- воляет обойтись без ФНЧ для них. В этом случае кроссовер может состо- ять всего лишь из одного конденсатора, включен- ного последовательно с твитером.

Как вы наверняка помните из школьного курса физики, основное свойство катушки индуктивности заключается в том, что она сопротивляется быстрым изменениям протекающего через нее тока. На низких частотах ее сопротивление маленькое, а с ростом частоты оно заметно растет. Если мы включим катушку индуктивности последовательно с динамиком, она пропустит на него низкие частоты, но задержит высокие, и мы получим самый настоящий фильтр нижних частот, ФНЧ.

А вот у конденсатора свойства прямо противоположные – он вообще не пропускает через себя постоянный ток, но зато может пропускать переменный. Причем чем выше частота сигнала, тем меньшее сопротивление он ему будет оказывать. Так что если мы включим конденсатор последовательно с твитером, то получим ФВЧ, который ослабит низкие частоты, зато легко пропустит высокие.

Вот так, с помощью катушки индуктивности и конденсатора, мы можем получить самый простейший пассивный кроссовер, который «разведет» низкие частоты на мидбас, а высокие – на твитер. Фильтры в нем содержат по одному элементу и называются фильтрами первого порядка. Строго говоря, порядки фильтров определяются порядками описывающих их математических уравнений, но раз уж мы договорились не лезть в математические дебри, то для подобных фильтров порядок навскидку можно определять по количеству катушек и конденсаторов в каждом из них.

Когда мы рассматривали активные фильтры, то в общих чертах уже говорили о том, что они характеризуются такими параметрами, как частота среза и крутизна. То же самое актуально и для пассивных фильтров.

Крутизна спада АЧАЧХ фильтров первого порядка (определяется наклонным участком графика) составляет 6 дБ/октава. То есть за пределами полосы пропускания сигнал будет слабнуть на 6 дБ с каждым изменением частоты в 2 раза.

Частота среза фильтров первого порядка зависит от номиналов элементов – катушки индуктивности в ФНЧ и конденсатора в ФВЧ. Чем больше у катушки индуктивность (L), тем с более низких частот она начинает «сопротивляться», а значит, и частота среза будет ниже. А для конденсатора все с точностью до наоборот – чем больше его емкость (С), тем с более низких частот он начинает нормально пропускать сигнал.

Если мы захотим сделать фильтры с определенной частотой среза Fc (она определяется по уровню –3 дБ), то нам нужно будет подобрать катушку и конденсатор вот с такими параметрами (индуктивность в мГн, емкость в мкФ):

где Z – это импедансы динамиков, которые мы собираемся подключить к нашим фильтрам (Ом). Часто в расчетах в качестве Z подставляют номинальные импедансы. В общем-то, так действительно можно в первом приближении оценить, какого примерно порядка нам понадобятся катушка или конденсатор, но не более того. Если требуется точный расчет параметров, то для этого нужно знать саму Z-характеристику динамиков, а в формулу подставлять не номинальные значения импедансов, а значения на конкретной частоте Fc.

 

В ЧЕМ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ФИЛЬТРОВ РАЗНЫХ ПОРЯДКОВ?

Фильтры первого порядка имеют неоспоримое преимущество – они простые в расчете, потому что содержат всего по одному элементу – катушке или конденсатору. Но их большой недостаток в том, что из-за невысокой крутизны среза, всего 6 дБ/октава, они не очень-то «старательно» фильтруют сигнал, а значит, с такими фильтрами довольно широкий диапазон частот будет воспроизводиться и твитером, и мидбасом одновременно.

Чем же это так плохо? Основная причина – динамики обычно разносятся в автомобиле на довольно приличное расстояние друг от друга, сопоставимое с длинами излучаемых ими волн. В результате до ушей будет доходить не то, что они излучают, а некий результат сложения, интерференции. Ну а то, что разные динамики не могут воспроизводить один и тот же сигнал абсолютно одинаково, только усугубляет ситуацию.

Чтобы избавиться от этого недостатка и уменьшить частотный участок совместной работы динамиков, применяют фильтры более высоких порядков. Например, если добавить к фильтрам первого порядка еще по одному элементу, то получим уже фильтр второго порядка, дающий более крутой спад АЧАЧХ за пределами зоны пропускания – уже не 6, а 12 дБ/октава.

При дальнейшем добавлении элементов по тому же принципу можно получить фильтры третьего, четвертого и еще выше порядков. Они будут еще лучше справляться с фильтрацией – затухание за пределами зоны пропускания будет составлять, соответственно, 18, 24 и т. д. дБ/октава.

И все бы хорошо, но все фильтры имеют одну неприятную особенность – они сдвигают сигнал по фазе, задерживают его. На первый взгляд, ничего такого страшного в этом нет, ведь, к примеру, звуковые процессоры тоже задерживают сигнал. Но все дело в том, что процессоры задерживают сигнал «целиком», а у фильтров эта задержка на разных частотах разная. А что получится, если мы в широкополосном музыкальном сигнале одни частоты задержим сильнее других? Форма сигнала, понятное дело, исказится. Такие искажения называются фазовыми. И чем выше порядки фильтров, тем 

больше эта фазовая неравномерность. Это основная причина, почему к фильтрам высоких порядков следует всегда относиться с большой осторожностью.

Но самое интересное, что свойства фильтров даже одного и того же порядка тоже могут отличаться между собой. Начиная со второго и выше порядков, в каждом из них присутствуют сразу по нескольку элементов – катушек индуктивности и конденсаторов, и одно и то же значение Fc можно получить разным сочетанием их величин. В зависимости от этого будет меняться и форма АЧАЧХ на переходе от плоского участка к наклонному. Различают несколько типов таких фильтров, названных в честь людей, их изучавших, например фильтры Линквица-Райли, Бесселя, Баттерворта, Чебышева и т. д. Формулы для их расчета при необходимости можно без труда найти в радиолюбительских справочниках или в Интернете.

Каждый из этих типов фильтров имеет свои достоинства и недостатки. К примеру, фильтр Бесселя довольно неспешно переходит от плоского участка АЧАЧХ к наклонному, и это, конечно, его минус. Но зато у него и изменение задержки сигнала при изменении частоты тоже будет плавным, а значит, он внесет фазовых искажений не так уж и много, а это уже большой плюс. А взять, к примеру, фильтр Чебышева. У него плоский участок переходит в наклонный резко, пусть даже и с небольшим горбиком. Это значит, что он справляется со своими прямыми обязанностями – фильтрацией сигнала – просто «на ура». Но зато у такого фильтра и фазовые искажения будут самые большие. Некая золотая середина – это фильтр Баттерворта: и переход АЧАЧХ от плоского участка к наклонному относительно резкий, и фазовые искажения еще более-менее терпимые.

Выбирая порядок фильтра, приходится искать компромисс между его способностью хорошо подавлять сигнал за пределами полосы пропускания и минимизацией фазовых искажений.

 

КАК ОТФИЛЬТРОВАТЬ СИГНАЛ ДЛЯ СРЕДНЕЧАСТОТНИКА?

Все примеры, которые мы только что рассматривали, касались либо фильтров, ослабляющих верхние частоты (ФНЧ), либо фильтров, ослабляющих нижние (ФВЧ). А что делать, если мы имеем, к примеру, трехполосную систему? Как отфильтровать сигнал на среднечастотник? На самом деле ничего сложного в этом нет, в этом случае сначала фильтром нижних частот нужно «отделить» от сигнала верхние частоты, а затем фильтром верхних частот – нижние, то есть включить последовательно друг за другом ФНЧ и ФВЧ. Такое сочетание называется полосовым фильтром. Кстати, ФНЧ и ФВЧ, образующие полосовой фильтр, не обязательно должны быть одного и того же порядка.

 

ЧТО ТАКОЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР?

Во всех случаях, о которых мы только что говорили, фильтры нижних и верхних частот всегда рассматривались отдельно. Хотим сигнал на твитер подрезать снизу – включаем перед ним ФВЧ. Хотим сигнал на мидбас подрезать сверху – включаем перед ним ФНЧ. Хотим полосу выделить на среднечастотник – включаем перед ним и то, и другое разом.

Но есть и другой интересный тип фильтров, который получил название последовательных. В них ФВЧ и ФНЧ уже не существуют по отдельности, а тесно завязаны между собой. В чем же их достоинство? Давайте рассмотрим, к примеру, последовательный фильтр первого порядка.

Смотрите, вроде бы имеем всего одну катушку и одну емкость. Но прикройте рукой твитер и представьте, что его нет. Что получится? А без него получится классический фильтр нижних частот, причем второго порядка, через который оказался подключенным мидбас. Теперь прикройте сам мидбас, и увидите, что твитер оказался включенным через ФВЧ, и тоже, как это ни странно, второго порядка.

То есть получили, что при точно таком же количестве элементов, что и в обычном кроссовере первого порядка, можно (при правильном подборе компонентов, естественно) добиться практически такой же АЧАЧХ, как и с фильтрами второго порядка. Один из недостатков, который при этом появляется, – общий импеданс такой акустической системы будет меньше, чем импеданс каждого из динамиков. Плюс к этому последовательные фильтры требуют тщательного подбора самих динамиков друг к другу. Из-за этих сложностей делать акустику с последовательными фильтрами решаются далеко не все производители.

 

ЗАЧЕМ В КРОССОВЕРЕ НУЖНЫ «ЛИШНИЕ» ЭЛЕМЕНТЫ?

И так, в теории мы в общих чертах разобрались с тем, как работают пассивные фильтры и из чего они состоят. Но если вы возьмете какой-нибудь реальный кроссовер, то почти наверняка увидите в нем не только катушки индуктивности и конденсаторы, но и, например, резисторы, а то и вовсе что-то похожее на лампочки. Что это такое, откуда взялись эти «лишние» элементы? На самом деле все они предназначены для дополнительной коррекции параметров кроссовера и его «подстройки» под конкретные динамики.

Для начала разберемся с «лампочками». Эти элементы действительно могут выглядеть как обычные двухцокольные автомобильные лампы, но на самом деле это бареттеры. Они играют роль ограничителей сигнала и предназначены главным образом для любителей выкрутить ручку громкости посильнее. Их используют в цепях твиттеров, а работают они следующим образом: при небольших мощностях сигнала они почти никак не проявляют себя, зато как только «вдарили мощи по полной», принимают на себя основной удар, спасая тем самым твитеры от повреждения. Для этих же целей могут быть использованы и другие элементы – термисторы, варисторы или, в конце концов, действительно обычные лампы накаливания.

Теперь давайте разберемся, для чего в кроссовере нужны резисторы. Очень часто оказывается так, что твитеры имеют чувствительность выше, чем мидбасы, и чтобы динамики звучали согласованно, а не «кто кого перекричит», сигнал на них приходится немного убавлять. Вот как раз этим-то и занимаются резисторы. Часто их включают просто последовательно с твитерами, и в этом случае фильтр рассчитывается, исходя уже из их общего сопротивления.

Если вам тоже покажется, что ваш твитер слишком громкий, и вы захотите его убавить относительно мидбаса, то лучше использовать вариант с двумя резисторами. Вообще, схема, ослабляющая сигнал (или, как еще говорят, вносящая в него затухание), называется аттенюатором, а конкретно эта, с двумя резисторами – аттенюатор Г-типа, или по англоязычной терминологии L-Pad. С таким аттенюатором фильтр будет работать почти так же, как и без него, поэтому в кроссовере ничего не придется пересчитывать и переделывать.

Рассчитать величины сопротивлений совсем несложно. Вначале определяем коэффициент передачи аттенюатора в зависимости от того, на какую величину хотим ослабить сигнал. Это можно сделать, к примеру, вот по этой табличке:

 

А теперь по простым формулам подсчитываем и сами величины сопротивлений:

 

где Z – это номинальный импеданс твитера, а К – это определенный по табличке коэффициент передачи аттенюатора.

 

СОВПАДЕТ ЛИ РАСЧЕТ КРОССОВЕРА С ЕГО РЕАЛЬНОЙ РАБОТОЙ?

Мы уже рассматривали, что представляет собой импеданс динамика – он неодинаков на разных частотах. Это не только добавляет трудностей при проектировании кроссовера, но и приводит к тому, что его реальная работа будет заметно отличаться от расчетной.

Возьмем, к примеру, самый простейший кроссовер с фильтрами первого порядка (катушка и конденсатор – проще некуда). В теории крутизна спада его АЧАЧХ составит 6 дБ/октава, и на бумаге или экране компьютера все будет выглядеть просто замечательно.

Но, к сожалению, во всех расчетах берется какое-то одно значение импеданса, а на самом деле, поскольку с увеличением частоты импеданс тоже увеличивается, фактическая крутизна спада, скажем, для фильтра нижних частот окажется меньше, фильтр просто перестанет справляться со своими обязанностями. Для фильтра же верхних частот ситуация получится прямо противоположной – индуктивность звуковой катушки динамика будет работать как часть фильтра, а посему крутизна спада АЧАЧХ окажется не 6 дБ, а выше.

Чтобы такого не происходило, в кроссоверах частенько применяют компенсирующие элементы для сглаживания роста импеданса динамика с ростом частоты – параллельно динамику подключают последовательно соединенные резистор и конденсатор. Эта цепь называется компенсатором Цобеля-Буше. Такой компенсатор нужен главным образом для низкочастотных динамиков, ведь их звуковые катушки имеют намного большую индуктивность, а значит, и более неравномерный график импеданса.

Сопротивление резистора обычно берется равное номинальному сопротивлению динамика, а вот для того, чтобы вычислить емкость конденсатора, нужно знать индуктивность звуковой катушки Le, ее иногда приводят в параметрах (индуктивность подставляется в мГн, емкость получается в мкФ):

Для большинства автомобильных мидбасов (а именно для них компенсатор Цобеля-Буше наиболее актуален) с номинальным сопротивлением 4 Ом емкость конденсатора обычно составляет порядка нескольких десятков мкФ.

В цепях твитеров подобная схема не применяется, зато особого внимания порой требует область частот вблизи частоты резонанса Fs. Как показывает практика, чем дальше от этой частоты отстоит частота среза ФВЧ, тем высокочастотники работают лучше – выдают более легкий и естественный звук. Однако высокая настройка не всегда бывает возможна, и многие кроссоверы проектируются так, что работают практически «на грани фола» – частота их среза Fc чуть ли не вплотную приближается к Fs.

В этом случае можно поступить следующим образом: дополнить фильтр верхних частот резонансной цепочкой, которая ослабит сигнал только в очень узкой области частот. Если мы «вырежем» таким образом из сигнала частоту Fs, то этим самым сможем облегчить жизнь твитеру и избежать ненужных искажений. Такая «вырезающая» цепь называется режекторным фильтром. Режекторный фильтр состоит из катушки индуктивности, конденсатора и резистора. Сопротивление резистора берется равным номинальному импедансу твитера, а емкость конденсатора и индуктивность катушки можно найти по упрощенным формулам (емкость в мкФ, индуктивность в мГн):

 КАКИМИ ДОЛЖНЫ БЫТЬ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ В КРОССОВЕРЕ?

Когда вы выбираете акустическую систему, обратите внимание на то, какие катушки индуктивности стоят в кроссоверах. Наверняка вы заметите, что одни достаточно компактные, намотанные на ферромагнитном сердечнике, другие же намотаны без сердечника и порой довольно крупные (их иногда называют катушками индуктивности «на воздушном сердечнике»). Зачем это делается? В чем преимущества и недостатки обоих типов катушек?

Ферромагнитный сердечник помогает «набрать» катушке нужную индуктивность, обойдясь меньшим количеством витков провода. Это, несомненно, хорошо, ведь раз провод короче, то и его сопротивление меньше, а значит, и меньше потерь в нем. В конце концов, это просто дешевле в изготовлении. Но, с другой стороны, у такой катушки появляются нежелательные нелинейные свойства, вызванные намагничиванием сердечника. Такая нелинейность обычно не очень заметна при подключении акустики к встроенным усилителям головного устройства или внешним усилителям с небольшой мощностью, но при подключении мощных усилителей катушки с сердечниками могут стать причиной нежелательных нелинейных искажений.

Но и с катушками без сердечника тоже не все так гладко, как хотелось бы. Их недостаток в том, что при значительно большей длине намотанного провода они будут иметь и большее сопротивление, а значит, и потери (они даже могут заметно нагреваться). Это особенно важно для «проходных» катушек в фильтрах нижних частот, ведь через них текут большие токи. Поэтому такие катушки должны быть намотаны более толстым проводом, и из-за этого они часто могут иметь довольно приличные размеры.

Выбирая акустические системы, обратите внимание на взаимную компоновку элементов кроссовера, в частности, катушек индуктивности. Поскольку вокруг них формируется магнитное поле, они должны быть по возможности максимально разнесены друг от друга и расположены взаимно перпендикулярно. Только в этом случае взаимодействие их магнитных полей сведется к минимуму.