Акустические системы: стены, сферы, ящики, каналы (часть 5)

В общих чертах, мы уже узнали, какие бывают источники звука, преобразующие электрический сигнал в акустический, и более подробно ознакомились с тем, как устроен самый распространенный в настоящее время источник звука — динамик. Но чтобы воспроизвести звук правильно, или, как принято говорить, с высокой верностью (hi-fidelity), соответствующей аппаратуре Hi-Fi, одного только динамика явно недостаточно.

Динамик в одиночестве почему-то не звучит

Давайте проделаем эксперимент. Возьмем любой простенький широкополосный или среднечастотный динамик небольшого размера и поставим его на стол диффузором вверх. Подключив к усилителю, послушаем через динамик музыку. Странно: динамик, вроде, в порядке, но как-то не звучит. Получается искаженно, не полно, а низких частот почему-то вообще нет.

Теперь продолжим эксперимент. Окружим ладонями динамик с двух сторон, выстроив ими продолжение плоскости диффузора за краями. Результат: появились низкие частоты и все зазвучало гораздо лучше.

То, что создавало проблемы в начале, называется акустическим коротким замыканием. Звуковые волны, воспроизводимые передней поверхностью диффузора, за краями динамика взаимодействуют со звуковыми волнами, воспроизводимыми задней поверхностью, и вычитаются между собой, что приводит к ослаблению слышимого звука, особенно на низких частотах. Для того, чтобы преодолеть этот негатив, и существует такое понятие как акустическое оформление. Простейший вариант нам удалось создать вручную. А теперь изучим основные типы акустического оформления.

Плоская стена

Акустическое оформление призвано заставить правильно работать поверхность подвижной системы динамика. Простейший вариант акустического оформления называется «плоская стена». В нашем эксперименте мы, собственно говоря, ее и создали. И если взять листовой материал достаточной площади, проделать нем отверстие диаметром с диффузор и зафиксировать в нем наш динамик, то он зазвучит очень пристойно.

Акустическое оформление плоская стена (слева) и открытое (справа)

Физически оптимальным акустическим оформлением может быть плоская стенка бесконечной площади, за которой находится бесконечный объем — на него работает тыльная поверхность диффузора. В реальности такой объект невозможен. Плоская стенка преодолевает короткое замыкание не полностью, а ее размеры должны выбираться по принципу «чем больше — тем лучше». Еще одним недостатком плоской стенки является то, что на ее базе можно создать только дипольный излучатель — звук будет воспроизводиться с обеих сторон, что не всегда является позитивным фактором.

Закрытый ящик

Этих недостатков лишен другой тип акустического оформления, широко распространенный по сей день. Он называется «закрытый ящик» (З.Я.) Смысл его работы следует из названия. Динамик монтируется в стенку герметично закрытого ящика, объем воздуха в котором, кстати, имеет собственный резонанс и, будучи правильно рассчитанным, способен позитивно повлиять на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) акустической системы — именно так называется созданный нами объект. Для демпфирования внутреннего объема ящика в него часто помещают пористый материал, распределяя его по стенкам или локально. Это может быть хлопковая вата, стекловата, поролон и т. д.

Акустическое оформление — закрытый ящик

Технологичнее и проще всего сделать нашу акустическую систему, то есть, колонку, в виде прямоугольного параллелепипеда. Но у такого варианта есть немало недостатков. Прежде всего, это внутренние резонансы — когда звук «мечется», отражаемый параллельными стенками, от стенки к стенке, резонируя на определенных частотах. Математические расчеты показывают, что одним из лучших вариантов закрытого ящика является шар, но уж никак не параллелепипед, от которого часто пытаются отойти. Разработчики стремятся сделать стенки не параллельными, закруглить углы и так далее, что позитивно влияет на звучание и негативно — на стоимость системы.

Фазоинвертор, лабиринт, ПАС

Акустическое оформление «закрытый ящик» при неплохом звучании имеет и негативные моменты. Мало того, что сам по себе коэффициент полезного действия нашего динамика не так уж высок. В закрытом ящике к тому же «работает» только передняя поверхность диффузора, излучение задней поверхности до нашего слуха не доходит, понижая КПД системы приблизительно вдвое.

Применить с пользой излучение с задней стороны диффузора позволяет акустическое оформление «фазоинвертор». В ящик вставляется труба, и ее геометрия в сочетании с объемом ящика рассчитывается таким образом, чтобы резонанс получившейся системы приходился в нужную область частотного диапазона, а излучение в этой частотной области для слушателя было синфазным (синхронным) с передней поверхностью диффузора.

Таким образом, излучение, «забранное» от задней поверхности диффузора, дополняет излучение передней. КПД системы на низких частотах резко повышается. Именно поэтому практически в большинстве современных колонок используется фазоинвертор. С другой стороны, такое оформление может привести к определенному падению качества звучания, причем именно в басовом диапазоне.

Акустическое оформление — трасмиссионная линия

Отдельным классом акустического оформления считается лабиринтное, в котором к тыльной стороне динамика примыкает достаточно длинный фазоинвертор, сделанный в виде некоего криволинейного канала. Кроме того, и сам порт фазоинвертора может иметь переменное сечение и специальную аэродинамическую геометрию поверхностей, которая предотвращает дополнительные призвуки от движения столба воздуха внутри фазоинвертора.

Иногда это действительно похоже на лабиринт

Отчасти аналогичный принцип реализован в акустическом оформлении с применением панели акустического сопротивления, когда, к примеру, задняя стенка закрытого ящика делается перфорированной, то есть, с множеством отверстий, закрытых тканью, создающей определенное сопротивление потоку воздуха.

Пассивный излучатель

И, наконец, акустическое оформление, получившее распространение в автономных аккумуляторных спикерах, особенно популярных последнее время. Это пассивный излучатель (ПИ). Фактически, ПИ — это тот же динамик, но только без магнитной системы и голосовой катушки. Его диффузор имеет определенный вес и параметры подвижной системы. Резонансная частота такого пассивного излучателя может быть рассчитана на заданный диапазон при том, что его размеры гораздо меньше, чем размеры аналогичного столба воздуха — впечатляющие «низы» можно получить от устройства сравнительно небольших размеров.

Акустическое оформление — пассивный излучатель

Потому пассивные излучатели и получили особое распространение в компактных спикерах. Существует система с более изощренным применением ПИ, когда низкочастотный динамик с малым диаметром, но длинным ходом, работает на пассивный излучатель гораздо большей площади, способный сформировать пониженный низкочастотный предел получившейся колонки.

Рупор

Все вышеперечисленные варианты акустических оформлений применяются, по большей части, в области низких частот. Что же касается остальных частот слышимого диапазона, то здесь применимы рупорные варианты акустического оформления. На самом деле, для низких частот рупоры тоже делают, но они получаются очень уж большими.

Так работает рупор

Рупор позволяет сделать изучение динамика узконаправленным, резко подняв звуковое давление, то есть громкость, в зоне прослушивания. Сейчас рупорные системы применяются нечасто. С одной стороны, их звучание можно назвать аудиофильским. С другой стороны, рупорным системам присуща серьезная неравномерность амплитудно-частотной характеристики — такие колонки бывают очень хороши для одних жанров музыки и не годятся для других.

Как устроен кабинет?

Простейший корпус колонки — его еще называют кабинет — это обычный ящик. Но не стоит думать, что здесь все так просто. На стенки корпуса действует серьезное давление, вызванное движением диффузора, поэтому корпус должен быть достаточно «жестким, но не звонким», то есть иметь хорошее сопротивление к возникновению собственных резонансов. Для этого внутри корпуса устанавливают дополнительные элементы жесткости — ребра, распорки. Внутренний объем корпуса в идеале не должен иметь параллельных стенок: зачастую они просто закруглены, но и полностью сферические корпуса — не такая уж редкость.

Типичный корпус из MDF

Казалось бы, логично сделать стенки корпуса из обычной древесины, но в этом случае возникают проблемы, связанные с неоднородностью (анизотропностью) и плохой повторяемостью параметров этого материала. Потому наиболее распространенным материалом кабинетов стал МДФ — древесно-волоконная плита. Часто применяется и березовая фанера, используют слои деревянного шпона, последовательно накладываемого на клей, композитные материалы, такие как стеклопластик, металлы — экструдированный алюминий, сталь и даже свинец.

Колонки из бетона

На нескольких выставках последнее время появились достаточно удачные колонки, отформованные из бетона. Технологии кабинетов акустики зависят от того, в каких условиях акустика будет работать. Естественно, что для ландшафтных, морских, автомобильных систем применяются материалы, устойчивые к погодным условиям, солнечному излучению, воде, пыли и т.д.

Для каждой полосы — свой динамик и вариант акустического оформления

Не стоит забывать, что в случае с широкополосным динамиком, ему понадобится один собственный кабинет с тщательно прочитанными характеристиками. Но если мы имеем дело с двух- или более полосной системой, то излучатель каждой полосы частот должен получить свое отдельное акустическое оформление.

Существовали различные воззрения на максимальное необходимое количество частотных полос в акустике. В некоторых образцах колонок семидесятых годов прошлого столетия, например, таких полос могло быть до 5–7. Сейчас пришли вроде бы к оптимальному количеству полос для полноразмерных акустических систем — от двух до четырех. В полочных и бюджетных напольных системах чаще делают две полосы, а более серьезные модели могут вдобавок к трем полосам иметь излучатель самых верхних частот, который называют супертвитером.

Некоторые разработчики очень много внимания форме камер драйверов

Чаще всего полноразмерная напольная колонка имеет три полосы, и тогда практически весь объем кабинета отдается под акустическое оформление низкочастотного динамика/ов. Среднечастотник имеет свой собственный бокс внутри корпуса колонки, который полностью изолирует заднюю сторону диффузора динамика от влияния низкочастотника. Что касается твитера, то тыльная сторона мембраны работает на небольшой объем, образованный конструкцией самого динамика, либо на специально сформированные дополнительные полости, например, в виде трубки.

Спереди пищалка чаще всего имеет вариант рупорного оформления, который в последнее время часто называют волноводом. Это рупор широкого раскрытия, рассчитанный таким образом, чтобы диаграмма направленности пищалки соответствовала всем остальным излучателем, формируя правильную область прослушивания, то есть область, в которой звучание нашей колонки будет наиболее качественным.

Каждому динамику — своя полоса сигнала

Понятно, что звуковой электрический сигнал, поступающий в нашу колонку от усилителя, должен быть разделен согласно возможностям каждого динамика, то есть, на каждый динамик должна попадать часть сигнала, соответствующая его рабочему диапазону частот. Чаще всего это разделение сигнала на полосы осуществляет установленная в колонке схема пассивного кроссовера.

Расчет работы системы кроссовер-динамики-кабинет является одной из важнейших задач создания качественной акустики. В зависимости от характеристик каждого из динамиков подбираются и рассчитываются свойства кроссовера — в частности, крутизна затухания сигнала за границами отведенного динамику частотного диапазона, которая определяет так называемый порядок кроссовера.

Слева направо: двухполосный кроссовер 1-го порядка, 3-го порядка, трехполосный кроссовер 2-го порядка

К альтернативным вариантам разделения частот между динамиками относится раздельное усиление, называемое еще бивайринг (Bi-wiring) и биампинг (Bi-amping). В этом случае к каждому динамику подключается отдельный усилитель. Распределение частот осуществляется на входе таких усилителей электронным кроссовером. Такой вариант может быть точнее настроен и чаще всего обеспечивает более качественное звучание. В случае, когда усилители интегрируются в кабинет, такая колонка называется активной.

Какие бы разные схемы и подходы мы не рассматривали, становится очевидно, что создание акустической системы — это инженерная задача, граничащая с высоким искусством и требующая от разработчика знаний акустики, хорошего уровня материаловедения, подготовки в области электроники и схемотехники. К тому же, всему этому хорошо бы еще сочетаться с хорошим слухом, музыкальным вкусом и большим опытом прослушивания музыки.

Продолжение следует...

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Акустические системы: поговорим о звуке (часть 1)

Акустические системы: строение динамика (часть 2)

Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

Акустические системы: альтернативные варианты излучателей звука (часть 4)

Оригинальный материал на сайте stereo.ru:
Акустические системы: стены, сферы, ящики, каналы (часть 5)