В статье приводится краткий сравнительный анализ некоторых видов акустического оформления с точки зрения особенностей их звучания. В качестве альтернативы фазоинвертору и закры­тому ящику предлагается открытое акустическое оформление, а также конкретная конструкция его воплощения.

                                   Малогабаритная открытая АС с регулируемой АЧХ

Акустические системы (АС) по сей день остаются слабым звеном электроакустического тракта. Это обусловлено неидеальностью про­цесса преобразования электричес­ких сигналов в звуковые и множе­ством побочных явлений, возника­ющих при взаимодействии элект­родинамической головки с ящиком и УМЗЧ. Совершенствование аку­стических систем способно дать наиболее значимый эффект для улучшения качества звучания, что побуждает аудиолюбителей зани­маться самостоятельным творче­ством в этой области.

Изготовление любительских АС, как правило, начинается с по­купки динамических головок, под которые затем проектируется ящик. При этом возникает некото­рая "заданность" процесса, по­скольку большинство головок рас­считано для работы в закрытых акустических оформлениях: фазоинверторе (ФИ) и закрытом ящике (ЗЯ). Конечный результат, таким образом, в значительной мере пре­допределен характерными особен­ностями звучания ФИ и ЗЯ, о кото­рых еще пойдет речь. Более осоз­нанный подход, по мнению автора, должен заключаться в первона­чальном выборе акустического оформления и лишь потом приоб­ретении головок, способных в нем работать. Это позволяет уйти от неких общих тенденций в акустикостроении и создать систему по собственному вкусу.

К упомянутым тенденциям в первую очередь относится массо­вое распространение фазоинвертора , как едва ли не основного вида акустического оформления. Изве­стно, что в ФИ достигается более низкая рабочая частота по сравне­нию с ЗЯ аналогичных размеров.

Другой вопрос, как это достигает­ся. Фазоинвертор - колебательная система, по сути, акустический ре­зонатор, настроенный на ту часто­ту, вплоть до которой расширяет­ся диапазон АС. Платой за это яв­ляются увеличенные нелинейные искажения на низких частотах (НЧ) и существенные фазовые сдвиги в работе системы. Если считается, что нелинейные искажения на НЧ малозаметны, и с ними можно при­мириться, то фазовые сдвиги - дело иное. Во временной области они эквивалентны затяжке мощных импульсных НЧ сигналов, увеличе­нию ГВЗ до заметных слуху вели­чин. В результате звучание ФИ имеет "родовые" признаки - это тя­желый, "размазанный" бас, доволь­но часто существующий как бы от­дельно от музыки. Разумеется, эти признаки по-разному проявляются в акустических системах разного класса, тем не менее, они есть все­гда, поскольку отменить законы физики нельзя. Зато количество "резинового" баса ФИ способно по­разить воображение, что, в общем - то, и послужило причиной популяр­ности этого вида акустики. Но ка­чество и количество - не одно и то же, и взыскательный слушатель обязательно замечает это.

Закрытый ящик обладает луч­шими переходными характеристи­ками, но в нем также используются свойства замкнутого объема возду­ха с вытекающими отсюда послед­ствиями. повышением резонансной частоты головки, нелинейными и интермодуляционными искажения­ми. Основной особенностью ЗЯ яв­ляется компрессионный эффект, при котором диффузор динамичес­кой головки испытывает значитель­ные (до 10 кгс) нагрузки, вызываю­щие его спонтанные деформации.

Как следствие, в самом диффузо­ре и во внутреннем объеме АС воз­никают многочисленные резонансы. В области поршневого дей­ствия головки с этим эффектом пы­таются бороться применением сверхжестких диффузоров из кев­лара и алюминия, но такие мате­риалы плохо ведут себя при зонном излучении на средних частотах (СЧ), начиная уже со 150.. 200 Гц. Появился даже специальный тер­мин - "кевларовый" звук. Иначе говоря, решение одной проблемы ЗЯ порождает другие, поэтому до­биться ясного, прозрачного звуча­ния в компрессионной акустике не так просто.

Из других видов акустики мож­но упомянуть, например, пассив­ные излучатели, но они не имеют каких-то особых преимуществ пе­ред уже рассмотренными. Несколь­ко особняком стоят те виды акус­тического оформления, в которых абсолютно замкнутый воздушный объем отсутствует. Это лабиринты (трансмиссионная линия), рупоры, TQWP. В некотором роде сюда же можно отнести и фазоинвертор, но лабиринт работает в более широ­кой полосе частот, представляя собой гребенчатый резонатор. При его правильном изготовлении все резонансы, кроме основного, по­давляются, что обеспечивает при­емлемое звучание на НЧ-СЧ. Од­нако лабиринтные АС сложны в из­готовлении, имеют большие габа­риты. Радиолюбительские конст­рукции [1], строго говоря, лабирин­тами не являются.

Между тем давно существует вид акустического оформления, в котором компрессионный эффект, как и внутренние резонансы, обус­ловленные замкнутым объемом воздуха, напрочь отсутствуют. Это - открытый ящик (ОЯ), он же акус­тический экран. В ОЯ диффузор динамической головки естественно колеблется только под воздействи­ем электродинамических сил и сил упругости подвеса. Некогда попу­лярные ламповые приемники и ра­диолы представляли собой именно ОЯ и звучали при этом весьма не­плохо, несмотря на ограниченный звуковой диапазон. Как утвержда­ется в [2] приемники D770 фирмы "Telefunken" времен Второй Миро­вой войны отличались необыкно­венной музыкальностью звучания, во многом благодаря специально спроектированному корпусу из "звучащих" пород дерева. Вот как автор публикации [2] описывает проведенный им эксперимент: "Я сравнил характер звучания громко­говорителя от D770 в родном от­крытом корпусе и в закрытом кор­пусе от "Peerless". Звучание в от­крытом корпусе отличалось благо­родством, чистотой и теплотой. Од­новременно ощущалась легкость и воздушность воспроизведения низких частот. Тональный баланс был великолепен. В корпусе от "Peerless" естественная красота и живое обаяние исчезли бесследно. Звучание стало бедным, жалким, исходящим из бочки, "дубоватым в басу"...

Сказанное в эмоциональной форме (а что такое звук, как не эмоции?) характеризует отличия в звучании закрытых и открытых си­стем. Нельзя, конечно, сбрасывать со счетов субъективизм оценки, ведь акустическая полоса прием­ника D770 150 Гц - 5 кГц [2], и се­годня многие предпочтут, скорее, "дубоватый", но более низкий бас. Однако почему бы не использовать преимущества открытого акусти­ческого оформления в сочетании с современным диапазоном воспро­изводимых частот, нижняя грани­ца которого, по крайней мере, не хуже 60 Гц? Именно такую задачу поставил и решил автор.

Известно, что ОЯ представляет собой дипольный излучатель, в ко­тором колебания прямой и обрат­ной сторон диффузора в конечном итоге складываются и вызывают акустическое короткое замыкание. Его прямым следствием служит по­явление на результирующей АЧХ громкоговорителя интерференци­онных пиков и провалов. Теорети­чески возможен акустический эк­ран, полностью выравнивающий звуковое давление на низких час­тотах Для этого его площадь S должна быть - S = 0,125с² /(f₀²Q²),        (1)

где с - скорость звука, м/с;

f₀- резонансная частота голов­ки, Гц;

Q - добротность головки.

Расчет по формуле (1) дает ре­зультат в несколько квадратных метров, что, конечно, неприемле­мо для бытовых АС, на практике ящик изготавливают гораздо мень­ших размеров. Платой за это явля­ется уменьшение звукового давле­ния на НЧ и появлении горбов на АЧХ в области четвертьволновых и полуволновых резонансов. Для ящика средних (полочных) разме­ров основной резонанс приходит­ся на частоту 200...300 Гц и вызы­вает сильное гудение, бубнение открытой АС. Характерно, что в силу отсутствия компрессионного эффекта частота собственного ре­зонанса головки и другие ее пара­метры практически не влияют на частоту бубнения, лишь изменяя высоту резонансного пика [3]. По­добное бубнение наихудшим обра­зом искажает тональный баланс громкоговорителя и крайне непри­ятно на слух, учитывая, что на этих же частотах резонируют малые по­мещения.

Специалистам фирмы "Telefunken" удавалось исключить бубнение весьма сложными техно­логиями изготовления корпуса и динамика [2]. Но есть и другой путь: электрическая корректировка сиг­нала, поступающего на НЧ голов­ку. Причем такую корректировку целесообразно осуществить в са­мой АС с тем, чтобы создать кон­струкцию, пригодную для работы с любыми источниками сигнала.

Несколько лет назад автор раз­работал фильтр "антибубнение" для открытых АС [4]. Суть предло­женного решения заключается в том, что последовательно с НЧ (НЧ-СЧ или широкополосной) го­ловкой включается режекторный LC-фильтр, настроенный на цент­ральную частоту пика бубнения. Принцип действия фильтра иллю­стрирует рис. 1, из которого ясно, что электрическая АЧХ фильтра (кривая 1) имеет вид, обратный акустической АЧХ ящика (кривая 2), в результате чего суммарная АЧХ по звуковому давлению сгла­живается (кривая 3). Подробный расчет фильтра и результаты его компьютерного моделирования приведены в [4]. На основе этого фильтра разработан кроссовер [5], предоставляющий более широкие возможности регулирования АЧХ и тонального баланса АС.

Из формулы (1) следует, что для ОЯ нужны высокодобротные дина­мические головки с полной доброт­ностью около 1 (лучше 2...3). Го­ловки с добротностью 0,2. .0,6 не годятся, так как предназначены для работы в ФИ и ЗЯ, в открытом пространстве их переходные ха­рактеристики оказываются неудовлетворительными. Как уже упоми­налось, таких головок большин­ство, но выход есть: на рынке в изо­билии присутствуют так называе­мые автоголовки, параметры кото­рых допускают работу в ОЯ. Поми­мо приемлемой добротности, авто­головки имеют высокую характери­стическую чувствительность (как правило, не хуже 90 Дб/Вт/м), ши­рокую полосу воспроизводимых частот. Разумеется, не все они об­ладают высоким качеством звуча­ния, но, с другой стороны, неверно утверждение, что все автоголовки - некий суррогат и не способны конкурировать с "настоящими" го­ловками.

Существенным преимуществом автоголовок является возможность их сравнительного прослушивания непосредственно в условиях торго­вой точки. Для этого любой уважа­ющий себя магазин имеет стенд, на котором установлены пары различ­ных автоголовок и имеются кноп­ки их переключения. При быстром переключении работает кратковре­менная слуховая память и неслож­но выбрать образцы с ярким и соч­ным звучанием. Что таковые име­ются, можно не сомневаться, хотя, конечно, не в самых низких цено­вых категориях. Предварительную информацию о качестве тех или иных брендов можно почерпнуть на специализированных Интернет- форумах, посвященных автозвуку.

Практическая конструкция откры­того громкоговорителя выполнена на автоголовках JBL gto 936е (6x9', 50...21000Гц, 100 BtRMS, 91 Дб/Вт/м, 4 Ом_: полипропиленовый НЧ диф­фузор, купольные СЧ, ВЧ излуча­тели). Корпус АС имеет размеры 370x260x190 мм, материал - фане­рованная ДСП толщиной 15 мм. Толщина передней панели доведе­на до 25 мм с приданием сглажен­ной от центра к углам формы при помощи монтажной пены. Слой пены наносится на панель и фор­муется шпателем в полуотвержденном состоянии. После оконча­тельного отверждения поверхность шлифуется, шпаклюется, снова шлифуется и красится в темные тона. Подготовленная таким обра­зом панель обтягивается эластич­ной полушерстяной тканью черно­го цвета. Головка с декоративной решеткой садится в специально предусмотренное углубление на панели и оказывается практичес­ки заподлицо с ее поверхностью. Сама головка и ее крепежные вин­ты виброизолированы резиновыми прокладками. Внутри ящик покрыт слоем вибропоглощающей мастики толщиной 3 мм и частично запол­нен синтепоном. Внешний вид гром­коговорителя показан на рис. 2.

           

На рис. 3 приведена принципи­альная схема фильтра. Дроссель L1 выполнен на стержневом сер­дечнике ПЛ12,5x16-25 от силового трансформатора Т-10-3 с линеари­зующим немагнитным зазором в сердечнике. Катушка L1 содержит 120 витков провода ПЭВ-2 0,85, на­мотанных виток к витку на стандар­тном каркасе того же трансформа­тора. При сборке разрезной магнитопровод дросселя склеивают че­рез прокладки из плотной бумаги толщиной 0,18 мм. Конденсатор С1 - МБГО 30 мкФ х 160 В, резистор R1 - ПЭВР-10, провод - любой монтажный сечением не менее 2,5 мм². Все детали - широкорасп­ространенные, игры с дорогостоя­щими аудиофильскими компонен­тами оставим, собственно говоря, аудиофилам.

Измерения, выполненные при помощи измерительного микрофо­на 4117 фирмы В&К, показали, что громкоговоритель практически без завала воспроизводит частоту 45 Гц (частота основного резонанса го­ловки после приработки). Ход АЧХ регулируемый и зависит от сопро­тивления R1. Чем меньше его ве­личина, тем больше степень подав­ления бубнения, но одновременно увеличивается неравномерность АЧХ на средних частотах, выделя­ется область 500...2000 Гц, что яв­ляется отчасти полезным (возрас­тает яркость звучания), но в меру. С увеличением сопротивления R1 АЧХ сглаживается, но возможно появление признаков бубнения. На практике перемещением ползунка резистора ПЭВР добиваются наи­лучшего результата в конкретных условиях прослушивания. В автор­ском варианте близким к опти­мальному оказалось сопротивле­ние R1, равное 8 Ом. Для удобства настройки АС регулятор R1 целесо­образно выполнить в виде мощного переменного резистора или галетного переключателя (при ступенчатом регулировании) с выводом рукоятки на лицевую по­верхность устройства.

Учитывая нестандарт­ность примененных реше­ний, следует пояснить не­которые особенности вза­имодействия фильтра с динамической головкой и УМЗЧ. Как показано в [4], ФЧХ фильтра такова, что в определенной мере компенсирует собственный фазо­вый сдвиг НЧ головки. Еще один его секрет - переменная степень демпфирования НЧ головки комп­лексным сопротивлением, в кото­рое входит близкое к нулю выход­ное сопротивление транзисторного УМЗЧ и последовательно включен­ное с ним частотнозависимое ин­дуктивное сопротивление дроссе­ля L1 . В результате на самых низ­ких частотах, когда индуктивное сопротивление дросселя мало, го­ловка надежно задемпфирована, а с увеличением частоты при росте указанного сопротивления диффу­зор получает большую свободу, что, как известно, дает уменьше­ние интермодуляционных искаже­ний. Близкий эффект наблюдает­ся в выходных трансформаторах УМЗЧ, обладающих свойством наилучшего согласования усилите­ля с акустической системой [6].

Теперь выясним, как влияет фильтр на комплексное сопротив­ление акустической системы, ведь известно, что УМЗЧ "не любят" его резких колебаний. На рис. 4 пред­ставлена экспериментальная за­висимость тока в нагрузке - реаль­ной АС - от частоты при плоской АЧХ по напряжению.

 Очевидно, что во всем звуковом диапазоне фильтр как минимум не ухудшает неравномерности нагрузки УМЗЧ, а в области частот 70 Гц - 3 кГц еще и значительно улучшает ее. Отмеченные особенности благо­приятны для качества звучания, в чем легко убедиться, замыкая и размыкая фильтр во время работы АС с помощью обычного тумблера.

Бас открытого громкоговорите­ля отличается четкостью, динамич­ностью и глубиной. Ясно и деталь­но звучат средние частоты - вокал, струнные, фортепьяно, высокие - чистые и тонкие. Малые размеры СЧ, ВЧ излучателей и их коакси­альное расположение способству­ют широкой диаграмме направлен­ности и незначительным фазовым искажениям в зоне совместной ра­боты головок. На данную АС мож­но подавать электрическую мощ­ность до 50 Вт (по условию линей­ной работы дросселя L1 [4]), что с учетом характеристической чув­ствительности и реальных рассто­яний прослушивания в бытовой стереосистеме более чем доста­точно.

Литература

1. Сиротюк М. Малогабаритный громкоговоритель. - Радио, 2001, №4

2 Лихницкий А. Формула отно­сительности звучания. Часть 2. - Аудиомагазин, 2000, №4

3. Дольник А. Особенности ра­боты головки громкоговорителя в акустическом оформлении. _ В по­мощь радиолюбителю. - Вып 56 - М.: ДОСААФ, 1977.

4 Пахомов А Фильтр "антибуб­нение" для открытых АС. - Радио­хобби, 2003, №2

5. Пахомов А. Кроссовер открытой АС. - Схемотехника, 2006, №№ 6, 7.

6 Жуков О. Взаимодействие УНЧ с акустической системой. - Ра­диолюбитель, 1996, N°N° 3, 4

Александр Пахомов

г. Зерноград, Ростовской обл.