На перекрёстке двух частот. Главный принцип автомобильного сабвуфера. Журнал "Автозвук"

Последний раз мы вплотную оценивали поведение динамика по параметрам Тиля - Смолла несколько месяцев назад, впору «вспоминать всё» по второму заходу, но не станем. Припомним лишь одну ключевую фразу.

---

Близко к тексту из «А3» №5/2005: «Для мидбасов, обречённых на работу во фри-эйрных условиях, параметры головки и будут финальными, а для сабвуфера параметры головки мы используем для расчёта, по которому делаем оформление, считающееся оптимальным».

Это означает, что мы эдак плавно и без помпы перешли к операциям с сабвуферным звеном автомобильной аудиосистемы, без которого не обойтись. Или не удаётся обойтись, или не хочется обходиться, или и то и другое. Но прежде чем перейти к делу, зададим всё же для порядка вопрос: «А, собственно, почему?»

А ДЕЙСТВИТЕЛЬНО, ПОЧЕМУ?

Вопрос отчасти святотатственный, но всё же вспомним: самые заядлые аудиофилы (и примкнувшие к ним просто любители послушать музыку) запросто обходятся дома колонками с низкочастотными динамиками калибра (пользуясь нашей терминологией) в те же 6 - 7 дюймов, что у нас стоят на фронте, и прекрасно себя чувствуют. Главных причин, по большому счёту, две, не велик труд их снова припомнить.

Первая: двери автомобиля вовсе не равноценны могучим корпусам домашних колонок, что с ними ни делай, и на самых низких частотах звуковое давление падает. Диффузор мидбаса (если его полоса частот ничем принудительно не ограничена) отчаянно трясётся, пытаясь изобразить басы, но они гибнут в утечках и нежёсткости тонкой стальной оболочки, и слышимым результатом становятся только искажения. Они, как и полагается гармоникам, выше по частоте, потому воспроизводятся прекрасно.

Вторая: в машине музыку слушают на более высоких уровнях громкости, в особенности - на низких частотах. Это обусловлено и несравненно более высоким уровнем внешних шумов, и просто традицией, которая может перевесить любые физические закономерности. Насколько автомобилисты любят басы? Генерально мы ответ знаем: сильно любят. А точнее, в децибелах?

СТАТИСТИКА ЛЮБВИ

В октябре 2004 года мы впервые стали измерять АЧХ по звуковому давлению в салоне автомобилей, попавших в рубрику «Системы». Данные измерений копились и продолжают копиться в виде файлов в формате анализатора Phonic PAA2, у которого есть, в числе прочего, и возможность осреднения снятых характеристик. И вот решили мы посмотреть, как будет выглядеть АЧХ, представляющая собой синтез деятельности профессиональных установщиков за полтора года. Глас народа - глас божий, в ходе осреднения многочисленные индивидуальные особенности и/или огрехи должны были сгладиться как статистические шумы, а общие тенденции - проявиться. Так что вот: впервые публикуется АЧХ, полученная на основе примерно 80 частотных характеристик, снятых за полтора года.

Любопытная получилась картинка, повод для размышления о нравах, царящих в обществе. Но мы сейчас сосредоточимся на низкочастотной области. Общая тенденция: люди хотят иметь звуковое давление на низких частотах существенно выше, чем на средних. Если бы они не хотели, им бы такие АЧХ не делали. Пользуясь другими функциями PAA2, мы даже вычленили отклонение АЧХ на низких частотах от горизонтальной прямой. На частоте 40 Гц подъём «народной» АЧХ составил более 14 дБ. Что это означает? Предположим, что у вас такие волшебные мидбасы, что они способны обеспечить ровную АЧХ до 40 Гц. И к ним сейчас подведена мощность всего-то, скажем, 5 Вт. Чтобы устроить такой подъём на басах, на 40 Гц подводимая к динамикам мощность должна оказаться примерно в 25 раз больше. Не 5 Вт, а 120 - 130. Реально? Нет, разумеется, у нормальных 6-дюймовых динамиков допустимая по тепловому режиму мощность и та ниже, а задолго до неё искажения превысят все мыслимые пределы. Вот почему эта часть частотного спектра в автомобиле и отыгрывается специализированным динамиком, для которого сотня ватт не катастрофа, а нормальный режим работы.

Кстати, мы не удержались и выполнили такую же операцию, оставив в выборке только машины, занимавшие высокие места на автозвуковых соревнованиях. Как и ожидалось, «среднечемпионская» АЧХ выглядит куда скромнее «общенародной».

Знакомые с прошлыми выпусками «В.В.» должны были бы заметить в приведенной логике признаки некоторого лукавства. Действительно, ведь есть же передаточная функция салона, благодаря которой именно в машине (то есть там, где этого требуют народные массы) АЧХ начиная с некоторой частоты идёт на подъём сама собой, без всякого вмешательства со стороны человека. Хорошо, что заметили, действительно, передаточная функция салона - истинная божья благодать для автоаудиолюбителей, не будь её - получить искомую характеристику даже с помощью сабвуфера было бы неимоверно трудно, а на высоких уровнях громкости (не будем забывать и об этой вкусовой особенности) - и вовсе невозможно. Однако факт наличия и бесперебойной работы передаточной функции не устраняет необходимости в отдельном басовом звене, а просто предъявляет определённые требования к его проектированию и расчёту. Или надо напомнить про передаточную функцию? Сейчас самое время, дальше без неё - никак.

МЕХАНИЗМ БОЖЬЕЙ БЛАГОДАТИ

Решили всё вспоминать, так давайте и будем всё. Итак, предсказано, замечено, объяснено теоретически и неукоснительно подтверждено практикой: если в салоне машины работает динамик, обладающий ровной горизонтальной АЧХ, то при снижении частоты сигнала начиная с некоторого значения звуковое давление в салоне станет возрастать, притом что подведенная к динамику мощность остаётся неизменной. Частота, начиная с которой это происходит, определяется размерами салона.

Здесь у некоторых получается неразбериха: компрессионный эффект, он же  действие передаточной функции, бывает, путают с резонансами, возникающими в салоне. Для ясности давайте проделаем мысленный опыт. Пусть в салоне автомобиля установлена акустика, на которую мы подаём сигнал скользящего тона. Начиная сверху. Пока частота сигнала высока, звуковые волны короткие, они весело, со скоростью звука, бегают по салону, отражаясь и поглощаясь на его границах. Когда длина волны, возрастая со снижением частоты, начнёт быть сравнима с наименьшим(!) размером салона, это обычно его высота, возникнет стоячая волна, и в зависимости от того, где расположен слушатель, он может попасть в точку минимума или, наоборот, максимума интенсивности звуковых колебаний. Принципиально, что таких значений частот несколько (если только салон не имеет форму шара со слушателем строго в центре), а воспринимаемый слушателем (или микрофоном, если идут измерения) эффект существенно зависит от их координат в салоне.

Движемся ниже по частоте. В какой-то момент длина волны станет столь велика, что даже половина её длины перестанет укладываться вдоль наибольшего(!) размера салона (это, разумеется, обычно его длина). Вот с этого момента и начнётся подъём АЧХ совершенно безвозмездно и безнаказанно.

Что именно произошло на этой волшебной частоте, почему произошло и как будут события разворачиваться дальше? Давайте в последний раз разберёмся, чтобы можно было считать вопрос закрытым. Для этого (снова мысленно, это вас не утомляет?) по-суворовски возьмём волшебную частоту в клещи с двух направлений.

Начинаем наступление сверху. Идеальный динамик устроен так, что если к нему подводится постоянная мощность, то на любой частоте выше частоты своего основного резонанса и вплоть до верхней частотной границы, о которой сейчас не будем говорить, потому что тема иная, создаваемое им звуковое давление будет постоянным. Это - идеал, разумеется, на реальных АЧХ акустики мы видим, что там и сям проявляются разные подробности, но общий-то ход АЧХ именно таков, если закрыть глаза на мелочи. А вот теперь вам придётся поверить мне на слово (чтобы избежать формул, пусть даже не очень мохнатых).

Звуковое давление, создаваемое динамиком в безграничном пространстве, пропорционально колебательному ускорению диффузора. Для того чтобы это ускорение оставалось постоянным при снижении частоты, колебательная скорость должна расти обратно пропорционально частоте (вдвое при снижении частоты на каждую октаву), а амплитуда колебаний диффузора - обратно пропорционально квадрату частоты (то есть - вчетверо с каждой октавой при движении вниз по шкале частот.

Так это реально и происходит, что (пусть не количественно) можно увидеть совершенно невооружённым глазом. Подадим на динамик синусоидальный сигнал, скажем, 100 Гц, подняв уровень до такого значения, чтобы было хорошо слышно. Увидим: диффузор колеблется с двойной амплитудой эдак примерно в два миллиметра. Ничего не меняя, поднимем частоту до 200 Гц. Слышно, мягко говоря, не хуже, а колебания диффузора заметить уже непросто, амплитуда теперь составляет полмиллиметра. Поднимем частоту до 1000 Гц. Динамик орёт как потерпевший, а движение диффузора не увидит и соколиный глаз, их размах упал до двух сотых миллиметра. Значит, запомнили: в безграничном пространстве, в свободном воздухе, звуковое давление, создаваемое динамиком, будет постоянным, если амплитуда колебаний диффузора растёт вчетверо на каждую октаву снижения частоты. И только в этом случае.

Теперь пойдём с другого конца шкалы частот, снизу. Представьте себе, что динамик приделан снаружи к ящику, который в этом опыте будет изображать салон автомобиля (чтобы не портить дорогостоящее транспортное средство), а диффузор колеблется на очень низкой частоте, ну, например, 1 Гц. Или 5. Или 10. Ни о каком распространении звуковых волн внутри ящика, пусть он даже размером с автомобиль, говорить не приходится, длина звуковой волны с частотой

10 Гц больше 30 м, а при частоте 1 Гц - и вовсе 340. Значит, при колебаниях диффузора колебания давления в ящике-салоне происходит не путём распространения волн, а сразу всюду, точно так же, как если бы динамик был поршнем, а внутренность ящика - цилиндром. А теперь ответьте: как будет зависеть изменение давления в ящике от амплитуды колебаний диффузора? Разумеется, линейно, на каждый миллиметр движения поршня-диффузора объём внутри ящика изменится на одну и ту же величину, насос, одним словом.

Сопоставим результаты мысленных (к счастью) экспериментов на высокой и на крайне низкой частотах. Когда мы идём сверху, звуковое давление в салоне распространяется по волновому механизму, салон большой, волны маленькие, для них это, можно считать, бесконечный простор. Динамик добросовестно старается создавать на любой частоте одно и то же звуковое давление, а для этого с каждой октавой при движении вниз амплитуда колебаний диффузора возрастает вчетверо.

На низких частотах динамик пытается делать то же самое: при возрастании частоты на октаву амплитуда колебаний диффузора снижается вчетверо. Но здесь-то, как мы только что согласились, колебания давления в салоне (а это и есть звуковое давление) пропорционально первой степени амплитуды колебаний диффузора, а значит, послушно падает вчетверо с каждой октавой роста частоты. Или растёт (опять же вчетверо) при движении в обратном направлении.

Что такое изменение звукового давления в четыре раза на октаву? Это 12 дБ по звуковому давлению, отсюда эта знаменитая величина, собственно, и берётся.

Где-то эти две кривые (точнее, пока прямые) должны повстречаться. Это произойдёт вблизи той самой волшебной частоты, определяемой наибольшим размером салона.

Разумеется, все понимают: в природе не бывает так, что дошли до определённой частоты и как по команде всё стало по-другому. Здесь так далеко вниз от характерной частоты работает компрессионный механизм, когда звуковое давление пропорционально ходу диффузора. Намного выше этой частоты действует волновой механизм, когда звуковое давление пропорционально квадрату хода диффузора. Вблизи частоты, о которой мы говорим, один механизм постепенно уступает место другому. Постепенно, а в ходе этого процесса в салоне происходят и другие, так сказать, «плещут холодные волны, бьются о берег морской». Поэтому даже часто встречаемые картинки, на которых горизонтальный участок АЧХ салона, плавно изгибаясь, переходит в наклонный - тоже упрощённое видение картины, наши неоднократные измерения показывают: в переходной области (на практике 75 - 100 Гц) салонная акустика предельно непредсказуема, и нам придётся действовать в рамках той или иной идеализации. Вплоть до предельной, но наглядной.

Но прежде чем перейти от некоего совершенно уже безгрешного динамика к более похожему на реальный, определимся с величиной частоты, на которой волновой механизм распространения звука в салоне уступает место компрессионному. Или - на которой начинается столь вожделенный нами подъём АЧХ без всяких усилий с нашей стороны.

Физически эта частота соответствует тому моменту, когда половина самой длинной волны, появившейся в салоне, перестанет в этом салоне помещаться, хоть поперёк, хоть вдоль, хоть поставленная на попа. Реально это всегда вдоль, автомобили всё же в длину больше, чем в остальных направлениях. Когда перестаёт помещаться полволны, это значит, что во всех точках салона давление среды (воздуха или его смеси с табачным дымом) в любой момент времени изменяется в одну сторону: или всюду повышается, или всюду понижается на следующем полупериоде.

Отсюда простое и популярное правило: берётся число 170 (половина скорости звука в метрах в секунду) и делится на самый большой размер салона. Здесь обычно начинается большой и горячий базар про то, какая передаточная функция у какого автомобиля, исходя из его размеров. Разная, конечно, кто спорит. Но если принять во внимание все факторы, на эту функцию влияющие, мы увидим, что собственно размер автомобиля из них - самый заметный, но далеко не самый важный.

Будем реалистами и перестанем, наконец, без нужды поминать «Оку» и «стретч» на базе Lincoln Town Car. Немногочисленные желающие заняться высококачественным озвучиванием одного и другого наверняка найдут решения столь же нестандартные, сколь и их автомобили. В реальной жизни размеры салона различаются не так сильно, как размеры автомобиля, да и размеры большинства автомобилей разнятся не на порядок.

Держу пари: с вероятностью 95% длина вашей машины - от 4 до 5 м. С вероятностью 90% - от 4,1 до 4,6. На салон придётся от 2,2 до, скажем, 2,5 м. Частота начала подъёма АЧХ, соответственно, 75 ± 5 Гц. Надо ли копья ломать по этому поводу? Разбег в выборе параметров сабвуфера, как показывают длительные наблюдения, существенно шире, а влияние волновой каши, возникающей в салоне вблизи этой частоты - существенно сильнее. Лучше сосредоточиться на базовых принципах, детали придут в своё время. Ведь до сих пор мы строили свои теории в рассуждении того, что динамик идеален и воспроизводит любые частоты. А ведь такого не бывает даже в самой сухой теории.

ЕСТЬ ДРУГАЯ ЧАСТОТА

Динамик в оформлении типа «закрытый ящик», что включает в себя и случай акустического экрана, это как бы бесконечно большой закрытый ящик, имеет строго определённую нижнюю частотную границу эффективного излучения. Это - частота основного резонанса динамика в ящике. Ниже этой частоты при по-прежнему постоянной подводимой мощности звуковое давление падает в темпе 12 дБ/окт. А амплитуда колебаний диффузора перестаёт расти. Ниже резонансной частоты она остаётся постоянной. В домашней акустике именно это считается нижней частотной границей, ниже колонка издаёт очень мало звуков. И именно это имел в виду изобретатель закрытого ящика Эдгар Вильчур (прошлый выпуск «В.В.»), когда говорил об «оптимальной резонансной частоте». Оптимальная - это когда амплитуда не выходит за пределы линейности. 6-дюймовый динамик с резонансной частотой (в ящике) 20 Гц на нижних частотах захлебнётся от непосильного хода диффузора. А если резонансная частота будет не 20, а 60 Гц, рост амплитуды на этой частоте остановится (будучи в 9 раз меньше, чем был бы на 20 Гц при том же звуковом давлении) и искажения останутся в норме.

Но ведь это - дома, там простор, а у нас в салоне - теснота и передаточная функция. С крутизной наклона, позвольте-ка, те же самые 12 дБ/окт. Значит, дома получается так: как только пройдена резонансная частота, амплитуда колебаний диффузора расти перестаёт, следовательно, при снижении частоты сигнала звуковое давление будет падать обратно пропорционально квадрату частоты (это как раз 12 дБ/окт.). А у нас в салоне, если амплитуда колебаний диффузора остаётся постоянной там, где уже началась компрессионная зона, это означает: работает «акустический насос» с постоянным ходом поршня и создаёт постоянное, не зависящее от частоты звуковое давление, то есть - горизонтальную АЧХ. Или, если угодно, по-другому. Звуковое давление падает со скоростью 12 дБ/окт., а передаточная функция - растёт в том же темпе. Так на так и получается. Вот только где начнёт падать, а где расти - вопрос отдельный.

СТОЛКНОВЕНИЕ ДВУХ ЧАСТОТ

Вот здесь мы и дошли до главного секрета автомобильных сабвуферов. А заключается он в том, что они начинают работать там, где домашняя акустика заканчивает свою деятельность. Частота раздела «фронт - сабвуфер» приходится на значение 50 - 100 Гц. Это - экстремальные границы, большинство систем настроены на раздел на частоте не ниже 60 и не выше 85 Гц. Именно внутри этого коридора и сидит волшебная частота начала подъёма АЧХ под действием передаточной функции. И примерно там же должна находиться резонансная частота сабвуфера (в ящике), если перед конструктором системы стоит задача получить вменяемую АЧХ.

На приведенный иллюстрациях, предельно идеализированных для пущей наглядности, показаны типовые случаи взаимодействия резонансной частоты сабвуфера и частоты перехода передаточной функции.

Своего рода парадокс: в практике домашней акустики, чтобы получить нижнюю граничную частоту 50 Гц, надо и резонансную частоту басовых динамиков в оформлении делать примерно такой же, а в автомобиле, чтобы ровно и спокойно доиграть до 20 Гц, резонансную частоту самого низкочастотного звена в системе можно выбирать в районе 60 - 80 Гц. При этом дома будет «вуфер», а в машине - действительно САБвуфер, по конечному результату.

В принципе это - главное, на чём основан расчёт сабвуфера в оформлении типа ЗЯ, дело за малым: научиться выбирать сабвуфер и объём ящика, которые, вместе взятые, позволят «попасть» в настройку. Ровно через месяц и выберем.

Результат осреднения АЧХ в салоне по примерно 80 аудиосистемам профессиональной работы, оплаченных и принятых заказчиками. Индивидуальные особенности нивелировались, и стало ясно: приблизительно такую АЧХ народ желает видеть в своей машине. А против народа не пойдёшь, да и ни к чему это

Для того чтобы сосредоточиться в этом разговоре на низких частотах, мы выделили из графика «общенародной» АЧХ низкочастотную область в виде отклонения АЧХ от горизонтальной. Трудно не заметить, что ниже 80 Гц вкусы любителей автозвука кристаллизовались в куполообразную АЧХ с максимумом на 40 Гц

Подход к басовой тематике суперпрофессионалов - победителей автозвуковых соревнований высокого ранга отличается большей сдержанностью. В быту звучание басов многих соревновательных машин считается суховатым, но именно оно наиболее корректно и достоверно

Оставив в выборке только те системы, в которых сабвуфер был устроен по принципу закрытого ящика, а не фазоинвертора, подтвердили то, что и так знали: именно ЗЯ даёт наиболее ровную АЧХ. При правильном выборе параметров, естественно

Предельно, до фантастики идеализированная картина того, что происходит в салоне. Фантастика в том, что мы предположили: у сабвуфера резонансная частота почти что нулевая, он до самых низких инфразвуковых частот сохраняет неизменным создаваемое звуковое давление. Это - фантастика, но она пока нужна. А идеализация в том, что плавный переход от горизонтальной АЧХ к наклонной (и у сабвуфера, и у передаточной функции) условно заменён резким изломом. Пока это на логику существенно не повлияет. Частота, на которой начинается наклонная ветвь АЧХ передаточной функции, принята равной 80 Гц, что недалеко от реальных значений.

Ход диффузора в зависимости от частоты отложен в логарифмическом масштабе, поэтому то, что он увеличивается в 100 раз при снижении частоты сигнала в 10, выражается наклоном прямой.

Если предположить, что такой сабвуфер действительно существует, АЧХ в салоне в идеальном случае неуклонно стремилась бы вверх с наклоном 12 дБ/окт., при этом амплитуда колебаний диффузора, весьма скромная даже на довольно низких 100 Гц, к самым низким частотам пыталась бы достичь совершенно невменяемых значений. В реальных условиях ниже 20 Гц кузов автомобиля начинает «дышать» настолько, что звуковое давление перестаёт расти, но сабвуфер этого не знает и продолжает колотиться как ненормальный. Если это не предотвратить

Чуть более реальный, но всё же неоптимальный случай. Из самых светлых побуждений для машины спроектировали cабвуфер с резонансной частотой 20 Гц. Мечта домашнего аудиофила. Что произошло: до самых 20 Гц АЧХ в салоне растёт под влиянием передаточной функции, и только там переходит в горизонтальную линию (о которой домашний аудиофил не смеет и мечтать). Ни простой народ, ни тем более прославленные чемпионы такую АЧХ, как можно видеть из нашей статистики, не хотят. В том числе и потому, что ход диффузора на не очень нужных для звука сверхнизких частотах по-прежнему очень велик.

В реальной жизни такое получается, когда по дури или с озорства сабвуферную головку с низкой резонансной частотой, предназначенную для установки в ящик, монтируют в заднюю полку и она работает в режиме бесконечного экрана (free air)

Выбор чемпионов. Если резонансная частота сабвуфера (с учётом оформления, в сборе) находится вблизи «волшебной частоты» на переходной функции, это, при определённых условиях, может произвести на свет идеально ровную АЧХ, а ход диффузора не растёт ниже 80 Гц, сохраняя вполне допустимые величины. При этом обратим ещё раз внимание: у САБвуфера, способного с постоянной отдачей звучать до 20 Гц, собственная резонансная частота - около 80 Гц. Так вот у нас происходит. Теперь, если выбирать резонансную частоту ниже области перехода, не доходя, разумеется, до фанатизма из предыдущего примера, АЧХ ниже 80 Гц будет подниматься параллельно самой себе, приближаясь к «общенародной», но без выраженного горба на 40 - 50 Гц, происхождение которого к закрытому ящику отношения не имеет

Другой пример неудачного выбора параметров сабвуфера. Или взяв неподходящий динамик (предназначенный для free air), или чересчур пожадничав с объёмом ящика, сделали сабвуфер с резонансной частотой заметно выше «волшебной». Результат: отдача сабвуфера начинает падать там, где передаточная функция ещё не работает в полную силу, а когда она наконец возьмётся за дело, будет поздно, АЧХ провалится, и компенсировать это придётся увеличением подводимой к сабвуферу мощности (что ему может не понравиться) и коррекцией АЧХ в области раздела между фронтом и сабвуфером, это ведь тоже может оказаться где-то здесь, на 80 - 100 Гц

Подготовлено по материалам журнала "Автозвук", март 2006 г. www.avtozvuk.com