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.