ЧАСТЬ 1
Если допустить, что аббревиатуры hi-fi и high end хоть как-то связаны с
натуральностью звучания системы и степенью совпадения
этого звучания с реальным, то низкочастотное звено акустической системы может оказаться
тем самым "узким местом", в которое не впишутся
замыслы, воплощенные в источнике сигнала, усилителе и ненизкочастотных
звеньях акустических систем.
Наряду с выбором либо проектированием громкоговорителей ("головок
электродинамических", как любят говорить многие) для
разработчика важным до чрезвычайности оказывается выбор типа и
проектирование корпуса акустической системы где главную роль играет выбор
акустического оформления.
Корпус акустической системы, базирующийся на той или иной идее акустического оформления,
выполняет две основные функции.
Первая функция — это блокирование эффекта акустического "короткого замыкания", возникающего за счет сложения в пространстве
акустических колебаний, возбуждаемых передней и задней поверхностями
диффузора и, естественно, противофазных (см. рис. 1).
Вторая функция чуть сложнее. Для знакомства с нею нам прежде всего
придется вспомнить, что из себя представляет динамик.
Наличие упругой возвращающей силы, обеспечиваемой пружинящим подвесом,
предопределяет для динамика возможность лишь
возвратно-поступательных движений диффузора.
Но только один раз.
Характер вынужденных колебаний диффузора при подаче сигнала теперь будет
зависеть от многого. Во-первых, как и у грузика на
пружинке, от массы подвижной системы и упругости подвеса. А во-вторых,
от того, что вмешивается в работу "пружинки". При
характерных для низкочастотных звеньев скоростях движения диффузора
воздух, его окружающий, способен оказать двоякое
действие.
Это диссипативное действие, гасящее, демпфирующее колебание подобно
амортизатору в автомобиле. Такое действие характерно для
любых ситуаций, когда диффузор окружен воздухом. И упругое действие,
когда воздух, сжимаемый той или иной стороной диффузора,
оказывает на него воздействие, аналогичное воздействию подвеса. Это
характерно для тех случаев, когда воздух заключен в
закрытый объем, а в более общем случае каким-то образом оформлен. Это и
означает "акустическое оформление".
Наиболее широко применяются:
— бесконечный экран (infinite baffle1) и его разновидности;
— закрытый корпус (closed box, acoustical suspension, sealed box);
— корпус с фазоинвертором (bass reflex, vented box, ported box) и его многочисленные собратья;
— лабиринт (labyrinth);
— трансмиссионная линия (transmission line);
— корпус с симметричной нагрузкой (band-pass).
Бесконечный экран Это устройство должно удовлетворять двум основным
требованиям.
То есть (рис. 1), помимо наличия "разделителя" надвое акустического
пространства, препятствующего акустическому короткому
замыканию, "задний объем" в корпусе тоже должен быть немалым, хотя бы
настолько, чтобы головка не ощущала на себе упругого
воздействия содержащегося в этом объеме воздуха. Те аудиолюбители,
воспаленное воображение которых уже посетила мысль
вмонтировать головку в стену между комнатами, наиболее близки к идее
infinite baffle. Ведь на заре электроакустики широко
применялись свернутые „бесконечные" экраны, то есть коробки без задней
стенки. Если их габариты соизмеримы с четвертьволновым
отрезком, то короткое замыкание они устраняют вполне приемлемо, хотя уже,
конечно, не полностью. Итак, запомним две
особенности бесконечного экрана: полное предотвращение акустического
короткого замыкания и полное отсутствие акустического
демпфирования, то есть ситуация, при которой диффузор не чувствует за
собой замкнутого объема.
Отсутствие акустического демпфирования может привести к появлению
недопустимо большой амплитуды колебаний диффузора вблизи
частоты механического резонанса, особенно это характерно для головок с
мощным подвесом и тяжелым диффузором. В неаварийных
случаях это явление сопровождается очень резким ростом искажений — до
десятков процентов, нередко проявляющимся в откровенном
похрюкивании акустической системы.
В начале 70-х Смолл (R Small) опубликовал серию статей, в которых описал
методику расчета подобных акустических систем, что способствовало их
широчайшему распространению.
Закрытый корпус предъявляет специальные требования и к излучающим
головкам. Как правило, это выражается в требовании большой
гибкости подвеса, немалой массы подвижной системы (то есть, в
совокупности, низкой резонансной частоты) и наличия магнитной
системы, допускающей значительный ход. Такие головки имеют, как правило,
сравнительно низкую чувствительность и заметные
ограничения по воспроизведению верхней части звукового диапазона. Отсюда
выплывают всем нам хорошо знакомые требования
повышенной мощности усилителя и хорошо развитого среднечастотного звена.
Тот факт, что основным "упругим" звеном в закрытом
ящике оказывается воздух, то есть почти идеальный газ, свидетельствует о
высокой линейности воздушного подвеса.
Обратим внимание читателя на то, что нас интересует лишь быстрый
процесс, развивающийся с частотой подводимого к акустической системе сигнала.
Именно он, а не медленный согрев газа за счет тепла, выделяемого по
многим причинам (главная — тепловыделение в катушке),
способен существенно повлиять на характеристики акустической системы.
Сжимает диффузор воздух в корпусе — температура растет. Растягивает —
падает. Это — чистейшей воды адиабата.
Адиабатичность процесса, при которой закон Бойля — Мариотта,
обеспечивающий линейность акустического подвеса, нарушается,
свидетельствует о необходимости учета двух явлений, особенно если объем
акустической системы мал, а площадь и ход диффузора —
велики. Первое: большее, чем оговоренное законом Бойля — Мариотта,
изменение давления адекватно снижению гибкости подвеса.
Второе: значительная нелинейность газовой среды должна учитываться, она
ведет к искажениям.
В реальных акустических системах, изменение объема которых в связи с ходом диффузора не
превышает единиц процентов, рассмотренные процессы не
могут сколько-нибудь серьезно нарушить привычный ход событий.
Разработанная Смоллом и Тиле (Thiele) методика проектирования акустических систем с
закрытым компрессионным низкочастотным оформлением ныне
реализуется в ряде компьютерных программ (например, LEAP 4). Подобные
методики позволяют, например, задав параметры головки
(резонансную частоту в открытом пространстве, общую добротность,
эквивалентный объем, эффективную площадь диффузора,
максимальное смещение подвижной системы и другие, см. например, ГОСТ
16122-88), рассчитать необходимый объем корпуса и затем
параметры акустической системы (добротность, резонансную частоту, частоту среза), то есть
определить ее АЧХ.
С точки зрения коммерчески привлекательных характеристик закрытый корпус
может показаться средоточием недостатков. Частота
среза — не низкая, чувствительность — не выдающаяся, объем — излишний.
Все бы так, если бы не одно достоинство - звучат эти
акустические системы лучше всех. Лучше — в смысле "натуральнее". В тех случаях, когда
добротность акустической системы близка к оптимальной (Q = 0,707), а
совокупная АЧХ — к наиболее плоской, closed box обеспечивает сухой,
цельный, незатянутый бас. Лучшими ценителями такого баса
оказываются те, кто нередко слышал оригинал — музыканты,
"симфоникомеломалы" и т. п. Аудиофилы, не отяготившие свой слух
посещением акустических концертов, либо специализирующиеся на
электронной музыке, частенько предпочитают другой бас — более
сочный, "смачный", иногда уже даже гулкий. У звукорежиссеров для его
описания есть даже устоявшийся термин "наличие мяса в
басе",— профессионалы всегда вводят свои термины.
Закрытый корпус создает такой бас в случае недо-демпфированности (Q >
0,707), а все или почти все остальные системы — в меру
своих сил и возможностей. И все же наиболее продаваемыми, коммерчески
значимыми оказываются другие типы акустического
оформления, например фазоинверторы, разговор о которых мы начнем в
следующей части нашего исследования.
В последние годы получили распространение, хотя тоже ограниченное,
другие разновидности закрытого НЧ-оформления: Push-pull
(рис. 2а, 6) и Isobarik (рис. 2в, е). При первом типе оформления удается
снизить нелинейные искажения, в основном за счет
избавления от четных гармоник; при втором — вдвое снизить объем корпуса
акустической системы. Последняя конструкция была предложена Олсоном еще
в 1950 году, но широкое применение получила только сейчас в составе
сабвуферов.
Кстати, изобарическая конструкция в последнее время становится все более
и более популярной. И дело не только в сокращении
габаритов — рассматриваемая конфигурация позволяет эффективно
просуммировать энергию двух головок, что актуально при
использовании мощных усилителей.
В современных моделях Isobarik используется 4 основных конфигурации.
Корпус типа tunnel, когда две головки установлены друг
за другом или тыльной стороной друг к другу (рис. 2в, г); конструкция
типа clamshell (рис. 2д) и planar (рис. 2в). В
последнем случае головки установлены рядом на одной панели и нагружены
на общую узкую воздушную камеру, при этом одна головка
установлена в малый закрытый объем, вторая излучает в общий корпус акустической системы с
фазоинвертором.
Подробный анализ особенностей работы подобных систем выходит за рамки
сегодняшнего повествования, поэтому отметим лишь
некоторые важные моменты. В идеале диффузоры головок у Isobarik должны
двигаться как единое целое, однако этому мешает ряд
обстоятельств. Например, наличие закрытой камеры вносит дополнительную
жесткость и дополнительную присоединениую массу, то
есть добавочную "пружину" между головками. Снижает идеальность
взаимодействия головок также тот факт, что условия охлаждения
магнитных систем оказываются различными: возможен перегрев узлов,
находящихся в малом объеме, равно как и заполняющего этот
объем воздуха. В этой связи clamshell нередко оказывается
предпочтительнее.
Наверное, не надо всякий раз акцентировать внимание на том, что
электрическая схема подключения головок к усилителю должна
обеспечивать движение диффузоров в одном направлении. В зависимости от
конфигурации этому будет способствовать либо
синфазное, либо противофазное подключение.
Часть [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Ирина АЛДОШИНА, Константин НИКИТИН, АудиоМагазин, январь 1999, с сокращениями
|