|
ЧАСТЬ 5
В предыдущих статьях мы рассмотрели следующие типы акустического оформления: закрытый ящик, фазоинвертор, пассивный излучатель, панель акустического сопротивления, лабиринт и трансмиссионную линию.
На очереди — полосовой резонатор (bandpass, ПР).
Современная зарубежная массовая аудиопресса, не балующая читателя глубоким проникновением в физическую суть акустических явлений, частенько вообще отказывается от каких-либо физических объяснений, когда речь заходит о ПР.
 |
| Рис. 1. а) ящик с фазоинвертором б) простейший полосовой резонатор |
Действительно, ящик с фазоинверсным приспособлением (рис. 1а) является "природным" акустическим фильтром нижних частот. Ведь, как мы уже писали ранее, труба фазоинвертора, акустически прозрачная для басов, становится все большим и большим препятствием по мере увеличения частоты.
Приладив такой дополнительный ящик - резонатор к любой акустической системе, например к закрытому ящику, мы получим простейший полосовой резонатор (рис. 1б).
 |
| Рис. 2. АЧХ громкоговорителя в оформлении "закрытый корпус" (1), АЧХ полосового резонатора (2) |
И если закрытый ящик имел такую АЧХ, как на рис. 2(1), то ПР в простейшем случае показывает нам "полосовую" АЧХ, обрезая "все лишнее".
Все бы хорошо. Но откуда берутся "лучший динамический диапазон", "минимальные из всех возможных" размеры, "лучшие переходные характеристики", о которых так любит писать аудиопресса, - остается большой загадкой.
Оставим пока эти вопросы без ответа.
 |
| Рис 3. Прямое излучение от динамической головки можно ликвидировать либо мысленно, либо отведя его при помощи длинной трубы. Тогда появится возможность насладиться звуком только фазоинверсного приспособления |
Давайте поиграем в такую игру: отвлечемся на время от звучания динамической головки в фазоинверсном оформлении и займемся прослушиванием звучания фазоинверсиого отверстия (рис. 3).
Бу-бу-бу, бы-бу-ба... Бубнит да и только. Кстати, не грех вспомнить, какова картина звукового давления у трубы фазоинвертора (см. рис. 4).
Таким образом, в любом фазоинверсном оформлении отверстие фазоинвертора является настоящим полосовым излучателем. В основе работы ФНЧ лежит уже оговоренный нами ранее физический процесс, связанный с инертностью воздуха в трубе. В качестве ФВЧ выступает сама головка.
 |
| Рис. 4. Характеристики фазоинверсного оформления. 1,2,3 — скорость смещения диффузора динамической головки в зависимости от частоты (баттервортовский, квази-третьего порядка и чебышевский случаи); 4,5,6 - соответствующее излучение фазоинвертора в относительных единицах |
Заметим, что на рис. 4 изображено несколько кривых. В зависимости от параметров фазоинверсного оформления (в том числе динамической головки) "полосовые" характеристики фазоинвертора могут быть разными. "Квазитретьепорядочные" фазоинверторы (имеются в виду фазоинверсные отверстия) имеют широкую полосу, баттервортовские — более узкую, чебышевские - совсем узкую. Кстати (зто на рисунке не отражено) меняется и эффективность фазоинвертора.
Лучший способ отвлечься ит звучания динамической головки — это накрыть ее сверху ящиком, получив при этом:
а) типичную конструкцию полосового резонатора (рис. 1б)
б) возможность изменять кажущиеся параметры головки (жесткость подвеса, полную добротность, собственную резонансную частоту fs) путем изменения объема закрытой камеры.
Теперь остается разобраться с эффективностью ПР и его размерами.
 |
| Рис. 5. АЧХ в оформлении "закрытый корпус" для разных значений полной добротности ГГ |
Взглянем на зависимость АЧХ звукового давления для закрытого ящика от его полной добротности, с учетом гибкости воздуха — "акустического подвеса" (рис. 5).
Пик АЧХ при высоких значениях полной добротности на слух воспринимается как подчеркивание определенного частотного участка. Для закрытого ящика это беда, а для полосового резонатора — именно то что нужно. Объединив две симметричные характеристики, мы получаем то, что хотели, то есть полосовую АЧХ (рис. 6).
 |
| Рис. 6. АЧХ ПР как результат взаимодействия двух видов НЧ оформлений |
Радиотехники сказали бы, что и ПР реализуется система двух связанных равнонастроенных контуров (рис. 7).
Один контур — закрытый ящик (элементы R1, L1, C1); другой фазоинверсный ящик - L2, L3, C2, R2. Связь осуществляется через диффузор динамическй головки. Фазоинвертор настраивается на частоту резонанса динамической головки с учетом ее установки в закрытый ящик (fc). Вот такая формула:
 |
| Рис. 7. Эквивалентная схеме НЧ-офорнления "полосовой резонатор" |
fc=fs√(Vas/Vc+1)
где Vas — эквивалентный объем для головки,
Vc — объем закрытой камеры ПР.
 |
| Рис. 8. Изменение АЧХ звукового давления и смещения диффузора при изменении размеров задней камеры. 1 - избыточный объем, 2 - недостаточный объем |
При снижении объема закрытой задней камеры, если рост fc сопровождается адекватной перестройкой фазоинверсной трубы, АЧХ вытягивается вверх и смещается вправо (рис. 8).
Добротность системы связанных контуров растет, циркулирующая в них энергия и, соответственно, та ее часть, что "отсасывается" с емкостного выхода (см. схему на рис. 7), растут — таким образом, повышается эффективность излучатетя.
Замечу, что "емкостной выход" - это труба фазоинвертора.
На частоте настройки фазоинвертор обеспечивает максимум демпфирования ("отбора энергии") диффузора, и, следовательно, минимум амплитуды его колебаний, а значит и искажений (см. рис. 8. синие кривые). Этим во многом объясняется высокая эффективность полосового резонатора.
Что же касается роста средней частоты полосы излучения при попытке повысить эффективность, то этого бояться не надо. Благодаря подбору соответствующих параметров головки эта подросшая средняя частота может быть все же достаточно низкой. Как правило, в оформлениях типа ПР мы обнаружением головки со сравнительно небольшим, но тяжелым диффузором, мощным подвесом и с огромным ходом.
 |
| Рис. 9. Сравнительные характеристики различных видов оформлений |
Для все еще сомневающихся в преимуществе ПР нарисуем картинку, иллюстрирующую поведение такой головки в закрытом ящике малого объема и в полосовом резонаторе, изготовленном на основе этого ящика (рис. 9).
Отмечу безусловное преимущество ПР в том, что касается параметра Кни - коэффициента нелинейных искажении. Этому способствуют две причины Одна нам уже известна — амплитуда колебаний диффузора на резонансе минимальна. Вторая причина — фильтрующие свойства фазоинверсного отсека: излучение ПР, как правило, узкополосно, и даже вторая, а тем более третья и более высокие гармоники, обусловленные нелинейными искажениями, продуцируемыми ПР, в значительной степени отфильтровываются.
 |
| Рис. 10. АЧХ звукового давления (дБ) и смещения диффузора (отн. ед.) при изменении объема фазоинверснои камеры. 1 - избыточный объем, 2 - оптимальный объем, 3 - недостаточный объем |
Теперь будем изменять объем передней фазоинверсной камеры. Все остальное, включая настройку фазоинверюра оставляем без изменений. Получаем следующие картинки (рис. 10).
Третья степень свободы - настройка собственно фазоинверснои трубы (рис. 11). Только оптимальная настройка (на частоту резонанса головки в закрытой камере fc) при непротиводействии прочих обстоятельств обеспечивает желаемую АЧХ (кривая 1).
Уход настройки наверх все перекашивает (кривая 2), не лучше обстоят дела и при уходе вниз (кривая 3).
Вывод. Даже самый простой из ПР, рассмотренный нами, - вещь чрезвычайно сложная в настройке.
 |
| Рис. 11. Настройка трубы фазоинвертора |
Расчет полосового резонатора сложен (настолько, что мы даже не публикуем его элементов), но хорошее знание основных параметров головки позволяет воспользоваться с этой целью одной из многочисленных программ.
Рассмотренная конфигурация действительно является простейшей и, кстати, наиболее часто применяемой. Замечу, что спад вправо и влево оказывается некрутым — около 12 дБ на октаву, так как в качестве ФВЧ выступает закрытый ящик, а в качестве ФНЧ — фазоинвертор.
Учитывая, что ПР (особенно наиболее аффективные его разновидности) - устройство исключительно узкополосное, остальные узлы акустической системы должны быть сконструированы соответствующим образом. Например. ПР перекрывает (по уровню - 6 дБ) диапазон 32-68 Гц. Следовательно, акустическая система, которую он "подпирает" снизу, должна сама воспроизводить 68 Гц, и весьма эффективно.
Наиболее часто полосовые резонаторы применяются для поддержки полноценных высококачественных двух- или даже трехполосных систем. При этом для ПР используется отдельный усилитель и активный кроссовер по входу. Фильтрующих (12 дБ/окт) свойств ПР как ФНЧ, как правило, не хватает.
А вот весьма плавным спадом АЧХ в сторону низких частот частенько объясняют те случаи, отнюдь, кстати, не частые, когда полосовой резонатор звучит хорошо, обеспечивая плотный, незатянутый бас.
Теперь насчет "плотного и незатянутого".
Даже при неплохой ФЧХ уэкополосное устройство не может звучать хорошо. Любой реальный басовый звук, например в симфоническом оркестре, достаточно широкополосен и разделение его между двумя устройствами - ПР и низкочастотным звеном акустической системы, обычно не прибавляет красоты в звучании.
На несимфоническнх фрагментах, особенно на современной электронной музыке, этот эффект практически не сказывается.
 |
| Рис. 12. а) полосовой резонатор, запатентованный в США фирмами "Teledyne и Bose широко применяется в автомобильной аудио-технике; б) эквивалентная схема; в) АЧХ |
И уж совсем хорошо проявчяет себя ПР, когда речь идет вообще не о музыке, а о звуках. Самое место ему в системах домашнего кинотеатра, где танки, взрывы, вертолеты и прочие акустические блага современной цивилизации.
Итак, обобщим вышеизложенное.
Во-первых. Полосовой резонатор позволяет получить высокую эффективность акустического излучения при весьма ограниченных размерах конструкции. Учитывая, что излучение происходит через небольшое отверстие фазоиивертора, ПР становится незаменимым в помещениях прослушивания ограниченного объема — особенно в автомобилях.
Во-вторых. Заметные преимущества даст простота балансировки между эффективностью и полосой воспроизводимых частот. Для этого достаточно варьировать объем задней закрытой камеры и длину трубы фазоинвертора.
Закончим это маленькое лирическое отступление и ознакомим читателя с друщми конфигурациями ПР.
Система, изображенная на рис. 12а. имеет эквивалентную схему, представленную на рис. 12б, и АЧХ, отображенную на рис. 12в.
На рис. 13 показан ПР 6-го порядка. Трубы фазоинверторов настраиваются с разносом примерно в октаву.
 |
| Рис. 13. а) полосовой резонатор, запатентованный в США фирмой Bose" (более глубокий экскурс в историю говорит о приоритете Дальтона (d Alton Франция 1934г.); б) эквивалентная схема; в) АЧХ |
Именно сложность настройки подобных систем нередко препятствует их производству и широкому распространению. Хотя, если посмотреть объективно, полосовой резонатор уверенно пробивает себе дорогу на рынок. Первый патент на конструкцию низкочастотного оформления типа "полосовой резонатор" появился во Франции еще в 1934 году, получил его А. Дальтон. Интерес к ПР возобновился после доклада Л. Финчема на 63-м конгрессе AES в 1979 году, посвященного методам конструирования ПР. В 1982 году два французских инженера Огрис (Augris) и Сантан (Santens) опубликовали в журнале "L'Audiophile" методику расчета таких систем. В 1985 фирма "Bose" получила патент на ПР 6-го порядка (передняя и задняя камеры с фазоинвертором) и выпустила первую акустическую систему серии "Acoustimass". Бурный рост интереса среди профессионалов и любителей к таким типам оформления начался после появления английского перевода статьи из "L'Audiophile" в журнале "Speaker Builder" в 1988 году.
Сейчас существует довольно много разнообразных конструкций акустических систем с такими низкочастотными оформлениями и множество компьютерных программ для их расчета.
Несмотря на ряд сложностей полосовой резонатор имеет определенные преимущества даже перед фазоинвертором.
Во-первых, габаритные размеры и эффективность.
Во-вторых, степень раздемпфирования, характерная для ПР на самых низких частотах, отнюдь не так опасна для головки, как в фазоинверторе.
В-третьих, и об этом мы уже говорили, "самоедство" полосового резонатора относительно порождаемых искажениями гармоник тоже добавляет золотых монет в его копилку .
 |
| Рис. 14. Другие разновидности полосового резонатора |
Я неоднократно слушал звучание ПР. и, надо сказать, нередко оно мне не нравилось. Совершенно не впечатлили сабвуферы "Jamo", хотя бас у "Jamo 707" с полосовым резонатором в НЧ-секции был весьма и весьма приемлемым. Но это говорит о том, что любую акустическую систему надо делать умело.
Один из патриархов отечественной электроакустики А. Р. Пригожин как-то показывал нам с М. А. Сергеевым систему с НЧ-звеном типа ПР и рупорным СЧ-излучатслем. Ннзко- и среднечастотные звенья прекрасно согласовывались по чувствительности, хотя уважаемому Анатолию Рохмиэльевичу и приходилось подсыпать пенопластовых кубиков то в одну, то в другую камеру ПР для настройки объема методом научного тыка.
Следует предостеречь особенно даровитых аудиолюбителеи от попыток сделать с ходу хороший ПР, раскопав, например, данные в Интернете,— это скорее всего не удастся. По крайней мере, начать опыты мы бы посоветовали с простейшей конструкции, которую описали наиболее подробно.
Три базовые конструкции позволяют произвести иа свет целый ряд дочерних конфигураций, основанных на симметрии. Например, ПР, изображенные на рис. Использование двух головок позволяет решить вечную проблему борьбы с четными гармониками. Кстати, считается, что ПР 6-го порядка (рис. 14) вообще обладает минимальными для ПР искажениями. Отчасти это объясняется тем, что диффузоры с обеих сторон оказываются нагруженными на фазоиинерторы.
 |
| Рис. 15. а) фазоинвертор с двойной камерой; б) зависимость амплитуды смещения диффузора ГГ от частоты в разных НЧ-оформлениях |
В заключение заметим, что далеко не только ПР обеспечивает возможность организации полосового излучения. Например, обычный фазоинвертор, дополненный субкамерой (рис. 15а), частично позволяет избежать проблем, связанных с резонансным характером собственно фазоинвертора.
Надо сказать, что особенно широкого распространения такие системы не получили, несмотря на ряд их очевидных преимуществ.
Часть [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Ирина АЛДОШИНА, Константин НИКИТИН, АудиоМагазин, май 1999, с сокращениями
|
