Ограничение уровня вч динамика. Как выбрать динамик. Для пользователей и разработчиков всегда серьезной проблемой было определение допустимой мощности многополосных АС. Пользователи, меняющие поврежденные высокочастотные динамики, чаще всего

Теория гармоник

Амплитудное сжатие

Что делать?

Перегрузка (клипирование) усилителей мощности — обычное явление. В данной статье рассматривается перегрузка, вызванная повышенным уровнем входного сигнала, в результате которой происходит ограничение выходного сигнала.

Проанализировав «феномен» такого рода пере­грузки, который якобы является причиной повреждения АС, мы постараемся доказать, что истинный виновник этого — амплитудное сжатие (компрессия) сигнала.

ЗАЧЕМ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯМ НУЖНА ЗАЩИТА?

Все головки громкоговорителей имеют предельную рабочую мощность. Превышение этой мощности приводит к повреждению громкоговорителей (ГГ). Эти повреждения можно разделить на несколько видов. Рассмотрим подробнее два из них.

Первый вид — чрезмерное смещение диффузора ГГ. Диффузор ГГ — это излучающая поверхность, перемещающаяся в результате подаваемого электри­ческого сигнала. Эта поверхность может иметь кони­ческую, купольную или плоскую форму. Колебания диффузора возбуждают колебания воздушной среды и излучают звук. Согласно законам физики для более громкого звучания или воспроизведения более низких частот диффузор должен совершать колебания с большей амплитудой смещения, приближаясь при этом к своим механическим границам. Если его заставить сместиться еще дальше, то это приведет к чрезмерному отклонению. Чаще всего это происходит с низкочастотными ГГ, хотя это может произойти и со среднечастотными, и даже с высокочастотными ГГ (если недостаточно ограничить низкие частоты). Таким образом, чрезмерное смещение диффузора чаще всего и приводит к механическому повреждению головки.

Второй враг ГГ — это тепловая энергия, возникающая в результате тепловых потерь в звуковых катушках. Ни одно устройство не имеет 100% КПД. Что касается ГГ, то 1 Вт входной мощности не преобразовывается в 1 Вт акустической. Практически у большинства ГГ КПД менее 10%. Потери, обусловленные низким КПД, трансфор­мируются в нагрев звуковых катушек, вызывая их механическую деформацию и потерю формы. Перегрев каркаса звуковых катушек вызывает ослабление его структуры, и даже полное разрушение. Кроме того, перегрев может вызвать вспенивание клея и его попадание в воздушный зазор, в результате чего звуковая катушка уже не сможет свободно перемещаться. В конце концов, обмотка звуковой катушки может просто перегореть как плавкая перемычка в предохранителе. Совершенно очевидно, что этого допустить нельзя.

Для пользователей и разработчиков всегда серьезной проблемой было определение допустимой мощности многополосных АС. Пользователи, меняющие поврежденные высокочастотные динамики, чаще всего

убеждены в том, — что в случившемся их вины нет. Казалось бы — выходная мощность усилителя 50 Вт, а мощность АС 200 Вт, и, тем не менее, высоко­частотный динамик через какое-то время выходит из строя. Данная проблема вынудила инженеров разбираться в том, почему же так происходит. Было выдвинуто много теорий. Одни из них были научно подтверждены, другие так и остались в виде теории.

Рассмотрим несколько взглядов на ситуацию.

ТЕОРИЯ ГАРМОНИК

Исследования распределения энергии по спектру сигнала показали, что независимо от типа музыки уровень высокочастотной энергии в звуковом сигнале гораздо ниже уровня низкочастотной энергии. Этот факт еще больше усложняет выяснение того, почему же повреждаются высокочастотные динамики. Казалось бы, что если амплитуда высоких частот ниже, то повреждаться должны в первую очередь низкочастотные, а не высокочастотные динамики.

Изготовители АС при разработке своих изделий также пользуются этой информацией. Представление об энергетическом спектре музыки позволяет им существенно улучшить звучание высокочастотных динамиков путем использования более легких подвижных систем, а также применения в звуковых катушках более тонкого провода. В АС мощность высокочастотных динамиков обычно не превышает 1/10 общей мощности самой АС.

Но т.к. в низкочастотном (НЧ) диапазоне музыкальной энергии больше, чем в высокочастотном (ВЧ), — значит, вследствие своей маломощности, высокочастотная энергия не может послужить причиной повреждения высокочастотных динамиков. Следовательно, источник высоких частот, достаточно мощных для повреждения высокочастотных динамиков, находится где-то в другом месте. Так, где же все-таки он находится?

Было высказано предположение, что при наличии в звуковом сигнале НЧ составляющих, достаточных для перегрузки усилителя, вполне вероятно, что в результате ограничения выходного сигнала появляются достаточно мощные высокочастотные искажения, способные повредить высокочастотный динамик.

Таблица 1. Гармонические амплитуды 100 Гц меандра, 0 дБ = 100 Вт

Гармоника	Амплитуда	Уровень в дВ	Уровень в Вт	Частота
1	1

Конденсатор для вч динамика. Подключение высокочастотных динамиков через конденсатор

В многополосных акустических системах, кроме динамиков обязательно ставятся частотные фильтры. Это необходимо чтобы разделить полосу звука в зависимости от типа громкоговорителя. Все динамики можно разделить на следующие группы:

• Низкочастотные
• Среднечастотные
• Высокочастотные
• Широкополосные

Самые простые акустические системы, состоящие из одного широкополосного динамика, фильтров не имеют, но и диапазон воспроизведения такой системы невелик. Он может составлять 40-50 Гц – 12-16 кГц. Хорошие акустические системы включают в себя три динамика с разделением сигнала, поступающего от усилителя на три следующие полосы:

• НЧ – 20 Гц-500 Гц
• СЧ – 200 Гц-7000 Гц
• ВЧ – 2000 Гц-22000 Гц

Разделение звукового сигнала на отдельные полосы осуществляется с помощью пассивных LC фильтров. Подключение ВЧ динамиков через конденсатор связано с необходимостью ограничения мощности на частотах, определяемых ёмкостью конденсатора. Дело в том, что высокочастотные «пищалки» имеют маленькие размеры и соответственно маленький диффузор, сделанный из твёрдого материала. Большая мощность низких частот может повредить высокочастотную динамическую головку. Кроме того «низы» воспроизводимые «пищалкой» будут звучать с сильными искажениями, нарушая всю звуковую картину.

Как подключить ВЧ динамик через конденсатор

Схема подключения ВЧ головки, состоящая только из одного конденсатора называется фильтром или пассивным кроссовером первого порядка. Он называется «High-passfilter» и работает следующим образом. Ёмкость конденсатора определяет полосу среза. Это не означает, что звуковые частоты, располагающиеся ниже уровня среза, не будут воспроизводиться высокочастотным громкоговорителем.Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB (децибел) на октаву. Октава это в два раза меньше или больше. Если величина среза равна 2 000 Герц, то частота, лежащая на октаву ниже, то есть 1 000 Герц будет воспроизводиться с уровнем на 6 dB меньше, снижение уровня на 500 Герц будет уже – 12 dB и так далее.

Исходя из размеров и жёсткости диффузора высокочастотного громкоговорителя, можно считать, что низкие частоты не окажут существенного влияния на воспроизведение ВЧ диапазона. Существуют более сложные кроссоверы второго порядка, в схему которого, кроме конденсатора, входит дроссель. Они обеспечивают снижение мощности в 12 децибел на октаву, а фильтры третьего порядка позволяют получить спад в 18 децибел на октаву.

Какой конденсатор ставить на ВЧ динамик

Для получения качественного звучания акустических систем, нужно очень тщательно подходить к выбору конденсатора. Какой конденсатор нужен для динамика ВЧ. Китайские производители недорогих колонок ставят последовательно с катушкой высокочастотного динамика электролит ёмкостью 2-10 мкф.

Изделия такого типа являются полярными и по определению предназначены для работы в цепях постоянного тока. На переменном токе они ведут себя не совсем корректно, поэтому для подключения высокочастотного динамика в акустической системе из двух или трёх громкоговорителей нужно использовать плёночные изделия соответствующей ёмкости. Если имеется недорогая акустическая система китайского производства, то достаточно вскрыть её, и заменить электролит, на полипропиленовый или бумажный конденсатор, чтобы почувствовать разницу.

Если необходимой ёмкости нет, то нужные конденсаторы для ВЧ динамиков собираются из нескольких изделий, соединённых параллельно.Из отечественной продукции можно использовать К73-17 и К78-34. Это лавсановые и полипропиленовые изделия. Тип К78-34 специально разработан для установки в фильтры высококачественных акустических систем. Он корректно работает на частотах до 22 кГц при выходной мощности колонок до 220 ватт с динамиками 4 Ом.

Чтобы правильно подобрать конденсатор для ВЧ динамика 4 Ом нужно знать его резонансную частоту. Высокочастотные головки могут иметь сравнительно низкую резонансную частоту порядка 800-1 200 Гц, но у большинства «пищалок» резонанс будет на 2 000-3 000 Гц. Величины конденсаторов для разных уровней среза к динамику 4 Ом выглядят следующим образом:

• 5 000 Гц – 8,0 мкф
• 6000 Гц – 6,5 мкф
• 8000 Гц – 5,0 мкф
• 9000 Гц – 4,4 мкф

Обрезать полосу, с помощью фильтра первого порядка, нужно выше резонанса, в противном случае колонка будет неприятно вибрировать при воспроизведении звука. Рекомендуется, чтобы частота среза фильтра примерно в два раза превосходила величину резонанса высокочастотного громкоговорителя.



Лечим амплитудную и частотную неравномерность громкоговорителей

В прошлый раз мы научились рассчитывать акустическое оформление с фазоинвертором и начали экспериментально определять зависимость полного электрического сопротивления динамических головок от частоты. Сегодня мы попробуем осмыслить результаты измерений, после чего рассмотрим способы амплитудной и частотной коррекции излучателей.

Если вы обнаружите минимумы импеданса около 3 Ом, не расстраивайтесь. Некоторые модели АС известных фирм имеют провалы до 2,6 Ом, а иногда даже до 2 Ом! Ничего хорошего в этом, конечно, нет — усилители перегреваются, работая на такую нагрузку, особенно на большой громкости, растут искажения.

Для ламповых триодных усилителей особенно опасны минимумы в области низких частот и нижней середины. Если импеданс здесь падает ниже 3 Ом, возможен выход из строя оконечных ламп, а вот пентоды этого не боятся.

Важно помнить, что выходное сопротивление усилителя участвует в настройке фильтра АС. Например, если сделать подъем на 1 дБ области Fc, подключив АС к транзисторному усилителю почти с нулевым выходным сопротивлением, то при работе с ламповым (типовое значение Rвых = 2 Ом) от форсажа не останется и следа. Да и вся АЧХ будет другой. Чтобы получить те же результаты, придётся создать другой фильтр.

Слушатель, не останавливающийся в развитии, со временем приходит к пониманию ценности хороших ламповых усилителей. По этой причине я обычно настраиваю акустику с ламповым оконечником, а при подключении к транзисторному ставлю последовательно с АС 10-ваттный безындукционный (не более 4 — 8 mН) резистор сопротивлением 2 Ом.

Если имея транзисторный усилитель, вы не исключаете возможность приобретения в будущем лампового, то при настройке и последующей эксплуатации подключайте ваши АС через такие резисторы. При переходе на лампы не потребуется настраивать АС заново, достаточно лишь удалить резисторы.

При отсутствии генератора подойдет тестовый CD с записью испытательных сигналов для оценки АЧХ. При этом вы не сможете плавно менять частоту и, скорее всего, пропустите самый минимум импеданса. Тем не менее, даже приблизительная оценка модуля Z будет полезна, причем для этого псевдошумовые сигналы в третьоктавных полосах даже удобнее, чем синусоидальные. Такие сигналы есть на тестовом CD журнала «Салон AV» (№7/2002). В крайнем случае, можно обойтись без измерений импеданса, если ограничить форсаж отдачи на частоте среза фильтра величиной 1 дБ. При этом импеданс вряд ли упадёт более чем на 20%. Например, для 4-омной АС это соответствует минимуму в 3,2 Ом, что допустимо.

Учтите, что «поймать» параметры элементов фильтра, необходимые для коррекции АЧХ, вам придётся самостоятельно. Предварительный расчёт нужен, чтобы изначально не промахнуться «на километр». В простой фильтр НЧ/СЧ-головки добавляются резисторы для некоторых манипуляций с АЧХ, которые могут потребоваться при настройке ваших АС. Если средний уровень звукового давления этого динамика выше соответствующего параметра ВЧ-головки, необходимо включить последовательно с динамиком резистор.

Варианты включения — на рис. 6 а) и б).

Величину необходимого снижения отдачи НЧ/СЧ-головки, выраженную в дБ, обозначим N. Тогда:

где Rд — среднее значение импеданса динамика.

Вместо расчётов можно воспользоваться таблицей 1.

Таблица 1

1 дБ — = 10%, или изменение уровня в 1,1 раза.

2 дБ — = 25% — » — в 1,25 раза.

3 дБ — = 40% — » — 1,4 раза.

4 дБ — = 60% — » — 1,6 раза.

5 дБ — = 80% — » — 1,8 раза.

6 дБ — = 100% — » — 2 раза.

где Vус — действующее значение напряжения на выходе усилителя. Vд — то же, на динамике. Vд меньше, чем Vс, благодаря ослаблению сигнала резистором R1. Кроме того, N = Nвч — Nнч, где Nнч и Nвч — уровень звукового давления, развиваемый, соответственно, НЧ и ВЧ-головками.

Эти уровни — усреднённые по полосам, воспроизводимым НЧ и ВЧ-головками. Естественно, Nнч и Nвч измеряются в дБ.

Пример быстрой оценки необходимой величины R1:

Для N = 1 дБ; R1 = Rд (1,1 — 1) = 0,1 Rд.

Для N = 2 дБ; R1 = Rд (1,25 — 1) = 0,25 Rд.

…

Для N = 6 дБ; R1 = Rд (2 — 1) = Rд.

Более конкретный пример:

Rд = 8 Ом, N = 4 дБ.

R1 = 8 Ом (1,6 — 1) = 4,8 Ом.

Как рассчитать мощность R1?

Пусть Рд — паспортная мощность НЧ/СЧ-громкоговорителя, PR1 — допустимая мощность, рассеиваемая R1.

Тогда:

Не следует затруднять отвод тепла от R1, то есть не надо обматывать его изолентой, заливать термоклеем и т.п.

Особенности предварительного расчёта фильтра с R1.

Для схемы на рис. 6 б) значения L1 и C1 рассчитываются на воображаемый динамик, суммарное сопротивление которого: RS= R1 + Rд.

При этом L1 получается больше, а C1 — меньше, чем у фильтра без R1.

Для схемы на рис. 6 а) — всё наоборот: введение в схему R1 требует уменьшения L1 и увеличения С1. Проще рассчитывать фильтр по схеме на рис. 6 б). Пользуйтесь именно этой схемой.

Дополнительная коррекция АЧХ при помощи резистора.

Если для улучшения равномерности АЧХ необходимо уменьшить подавление фильтром сигналов выше частоты среза, можно применить схему, приведённую на рис. 7

R2 в этом случае дает уменьшение отдачи в Fс. Выше Fc отдача, напротив, растёт по сравнению с фильтром без R2. Если необходимо восстановить близкую к исходной АЧХ (измеренной без R2), следует уменьшить L1 и увеличить C1 в одинаковой пропорции. На практике диапазон R2 находится в пределах:

R2 = (0,1Е1) і Rд.

Коррекция АЧХ

Простейший случай. На достаточно равномерной характеристике имеется зона завышенной отдачи («презенс») в области средних частот. Можно применить корректор в виде резонансного контура (рис. 8).

На частоте резонанса

Контур имеет некоторое значение импеданса, в соответствии с величиной которого сигнал на динамике ослабляется.

Вне частоты резонанса ослабление уменьшается, таким образом, контур может избирательно подавлять «презенс».

Ориентировочно рассчитать значения L2 и C2 в зависимости от Fp и степени подавления N2 (в дБ) можно так:

Удобно воспользоваться таблицей 1a:

Изм. уровня в дБ	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Относит. изм. уровня (D)	1,1	1,25	1,4	1,6	1,8	2	2,2	2,5	2,8	3,16	3,55	4

Пример: необходимо подавить «презенс» с центральной частотой 1600 Гц. Импеданс громкоговорителя — 8 Ом. Степень подавления: 4 дБ.

Конкретная форма АЧХ громкоговорителя может потребовать более сложной коррекции.

Примеры — на рис. 9.

Случай на рис. 9 а) — самый простой. Легко подобрать параметры корректирующего контура, так как «презенс» имеет форму «зеркальную» возможной характеристике фильтра.

На рис. 9 б) показан другой возможный вариант. Видно, что простейший контур позволяет «разменять» один большой «горб» на два маленьких с небольшим провалом АЧХ в придачу.

В таких случаях нужно сначала увеличить L2 и уменьшить С2. Это расширит полосу подавления до нужных пределов. Затем следует зашунтировать контур резистором R3, как показано на рис. 10. величина R3 выбирается исходя из необходимой степени подавления сигнала, подаваемого на динамик в полосе, определяемой параметрами контура.

Рис.10

R3 = Rд (D — 1)

Пример: надо подавить сигнал на 2 дБ. Динамик — 8 Ом. Обращаться к Таблице 1.

R3 = 8 Ом (1,25 — 1) = 2 Ом.

Как в этом случае происходит коррекция, показано на рис. 9 в).

Для современных громкоговорителей характерно сочетание двух проблем: «презенс» в области 1000 — 2000 Гц и некоторый избыток верхней середины. Возможный вид АЧХ приведен на рис. 11 а).

Наиболее свободный от вредных «побочных» эффектов способ коррекции требует небольшого усложнения контура.

Корректор показан на рис. 12

Резонанс контура L2, С2 нужен, как обычно, для подавления «презенса». Ниже Fp сигнал почти без потерь проходит на динамик через L2. Выше Fp сигнал идёт через С2 и ослабляется резистором R4.

Оптимизируется корректор в несколько этапов. Так как введение R4 ослабляет резонанс контура L2, C2, то изначально следует выбрать L2 больше, а C2 меньше. Это обеспечит избыточное подавление на Fp, которое нормализуется после введения R4.

R3 = Rд (D — 1), где D — величина подавления сигналов выше Fp.

D выбирается в соответствии с избытком верхней середины, сверяясь с таблицей 1.

Этапы коррекции условно проиллюстрированы на рис. 11 б).

В редких случаях требуется обратное воздействие на наклон АЧХ при помощи корректирующей цепи. Ясно, что для этого R4 должен переместиться в цепь L2.

Схема — на рис. 13.

Проблемная АЧХ и её коррекция для этого случая показаны на рис. 14.

При определённом сочетании величин L2, C2 и R4 корректор может не иметь особенного подавления на Fp.

Пример, когда необходимо именно такая коррекция, — на рис. 15.

(Продолжение следует)

---

Практика AV #6/2003

польза и вред от увеличения звуковой мощности в 200 раз / Pult.ru corporate blog / Habr

В этом году в журнале Американского акустического общества ученые Jiajun Zhao, Likun Zhang и Ying Wu опубликовали статью “Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances” о своём изобретении, которое увеличивает звуковую мощность волн НЧ диапазона благодаря резонансам. Судя по отчету исследователей, изобретенный ими и изготовленный на 3D принтере пластиковый корпус диаметром 10 см способен увеличить звуковую мощность низкочастотного динамика в 200 раз.

Традиционно для повышения громкости (звукового давления) используют увеличение мощности сигнала, а в случае с низкими частотами и большую площадь излучения. У этих классических способов есть очевидные недостатки — большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. В связи с этим повышение звукового давления за счет акустического оформления стало популярной практической проблемой. Разработчиками движет желание максимально увеличить мощность и сохранить небольшой объём. С традиционными АС такого эффекта достигли благодаря фазоинвертору. Теперь пришла очередь портативного аудио. Под катом несколько слов об инновации и вероятных перспективах её развития, а также о ложке дёгтя в бочке радужных перспектив.

Свежий взгляд или хорошо забытое старое

Реализация достаточно смелой идеи продиктована необходимостью. Обилие портативной техники требует решений, в которых акустическое оформление с большим объемом применить невозможно, при этом потребитель хочет “много низа”. Таким образом, решение, предложенное учеными, вероятно будет востребовано для смартфонов, портативных переносных колонок, док-станций.

При этом известно, что разработки такого рода велись с конца 19 столетия (опыты Гельмгольца) до 20-х годов прошлого века, т.е до времени, когда пассивные средства повышения звукового давления могли конкурировать с электроакустическими. Так появилось рупорное акустического оформление.

Об исторической преемственности писали авторы статьи “Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity”, положенной в основу описываемого изобретения. Можно утверждать, что попав в ситуацию, где электрические средства исчерпали ресурс эффективности, разработчики вспомнили о времени, когда рупорное оформление громкоговорителей было лидирующим трендом.

Идея и результат

Идея заключалась в том, чтобы значительно увеличить амплитуду звуковых волн, излучаемых низкочастотным динамиком, при этом отказаться от традиционного повышения мощности усилителя и увеличения размеров излучателя. Дополнительной целью было сохранить диаграмму направленности, т.к. классический рупор её меняет. Для реализации идеи ученые воспользовались резонансными модами, которые формировались с использованием либиринтообразного акустического оформления.

Если говорить просто, то разработчики применили принцип, который можно наблюдать, поместив источник звука (например, смартфон) в кружку. Звук усиливается, так как кружка становится резонансной камерой.

Тут принцип близок, но вместо единой полости использованы специально рассчитанные лабиринты, позволяющие избирательно усилить НЧ диапазон.

Разработчик Ying Wu в одном из интервью описал принцип действия следующим образом:

“Through the resonance of the air inside the channels, a lot more of the electric power of the source is converted to sound power than would otherwise be the case.»

“Резонанс воздуха в каналах позволяет получить большую звуковую мощность, чем без них (каналов -прим.авт.) при равном расходе электроэнергии”

A realistic structure for emission enhancement

а) Конструкция выполнена из жестких материалов (серая часть), где заполненные воздухом спиральные каналы удлиняют путь звука (красная линия), чтобы уменьшить его эквивалентную скорость в радиальном направлении вдоль жестких стенок каналов (азимутальная анизотропия ρθ→ ∞ρθ→∞).
b) Фазовое распределение звуковых полей, излучаемых из источника монополя, имитирующее на трех резонансных частотах (см. Фиг.2 (с)].
c) То же, что и b), но для дипольного источника. (d, e) Сравнение направленности дальнего поля с оболочкой и без, моделируемой для самого низкого резонанса в b) и c), соответственно.

Как видно на рисунке, от центра круглого корпуса десятисантиметрового устройства, где размещен динамик, отходят лабиринтные ходы, которые обеспечивают возникновение резонансных мод, и а соответственно пассивно повышают звуковую мощность определённых частот. Важно учесть, шкала дБ является логарифмической, соответственно, двухсоткратное повышение мощности приведет к повышению звукового давления приблизительно на 20 дБ. Один из авторов, писавших на эту тему, сравнил 20 дБ с восемью делениями на шкале громкости айфона.

В результате сравнительных и контрольных измерений оказалось, что применение конструкции действительно позволяет усилить звуковую мощность в НЧ диапазоне в 200 раз. Конструкция также позволяет существенно не изменять диаграмму направленности, что было бы невозможно при использовании классических рупорных систем. Более подробно ознакомиться с результатами эксперимента можно в статье, которая опубликована в открытом доступе.

Очевидно, что полученный результат (в случае удачного развития событий для этой инновации, о которой в следующем разделе) может использоваться при создании портативной беспроводной акустики, мобильных гаджетов, наушников.

Статья теоретически доказывает возможность резонансного повышения мощности в 200 раз, приводит формулы и сравнительные измерения, но, как в старом анекдоте, есть нюанс…

Резонанс как закадычный враг

Усиление НЧ за счет резонансов имеет ряд особенностей, которые затрудняют использование этого метода при создании аппаратуры высокой верности воспроизведения. Многим хорошо известно пагубное влияние этого способа на качество звука по фазоинверторному акустическому оформлению АС. При использовании фазоинвертора усиление низких также достигается благодаря резонансу, разница лишь в том, что при таком форм факторе фазоинвертор менее результативен нежели лабиринт.

Неоднозначность использования резонансов для повышения мощности НЧ подробно описано в статье “Великий низкочастотный обман”, опубликованную журналом Show Master, любезно переведенную www.sound-consulting.net.

Вероятно, многие заметили, что в исследовании проводились сравнительные измерения звуковой мощности в НЧ диапазоне и оценивались изменения диаграммы направленности, уделяли внимание свойствам использованных материалаов. При этом не проводилось стандартных измерений коэффициента гармонических искажений, линейности АЧХ, не исследовалось появления паразитных призвуков и прочих явлений, искажающих звук.

Как писали в упомянутой выше статье, резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно, а соответственно, возникают задержки. Учитывая количество отражений в представленной лабиринтной резонансной системе, можно предположить, что эти задержки будут выше чем в аналогичной с фазоинвертором или классическим закрытым ящиком.

Таким образом, используя резонансное усиление, мы можем получить значительно больше низа, при этом ухудшаются импульсные характеристики. Кроме того, не известно вносит ли такая система искажения, шумы и пр. (исследование не содержит сравнения по искажениям до и после использования нового акустического оформления).

Перспективы применения

При исключении всех гипотетически вероятных проблем, инновация сможет изменить многое. Сохранение свойств при уменьшении габаритов позволит применять такое акустическое оформление в смартфонах, что существенно увеличит громкость. Использование с портативными беспроводными колонками позволит снизить энергопотребление, а значит увеличить длительность работы портативных устройств.

Итог

Искренне надеюсь на живую и продуктивную дискуссию относительно перспектив лабиринта. Для собственных выводах о судьбе изобретения мне не хватает информации. Традиционно предлагаю принять участие в опросе и высказать своё мнение относительно изобретения.

Джинса

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент акустических систем высокой верности воспроизведения.

Понижение частоты основного резонанса 10 ГД-35, ее аналогов и клонов

Развернувшиеся споры вокруг данного предложения по снижению частоты резонанса 10 ГД-35 вынудили меня взяться за перо. Сразу же оговорюсь,  что я не ставлю цель быть судьей в последней инстанции, а просто  решил свести в одно место различные варианты улучшения (и не совсем улучшения) ВЧ динамиков. При этом будут рассматриваться только варианты, связанные с понижением частоты основного резонанса.  Выравнивание АЧХ и прочие улучшения в рассмотрение не принимаем.

---

Определим для себя некоторые критерии для оценки перспектив улучшения:

1. Улучшение не должно изменять внешний вид динамика.
2. В случае неудачного результата должна быть возможность отката на начальные позиции.
3. Вносимые изменения не нарушают аутентичность АС.
4. Хорошая повторяемость улучшения без значительных материальных затрат и необходимости  проведения дополнительных измерений. Изменения должны быть продуманы с инженерной точки зрения – сделал и забыл.
5. Модернизация не должна завершиться потерей динамика.

---

На сегодняшний момент мне известно 5 вариантов решения проблемы резонанса:

1. Способ утонения диска подвеса.
2. Способ перфорации по этой статье.
3. Способ перфорации с применением иглы.
4. Увеличение внутреннего диаметра колец.
5. Использование фильтра, настроенного на частоту резонанса.

---

О каждом из сказано ниже в большей или меньшей степени.

В качестве более полного восприятия, на изображенном рисунке  обозначены (начиная со средины):

1. Синее поле- купол динамика.
2. Сплошная синяя линия- внешняя граница гофра
3. Зеленые окружности- опорные кольца
4. Способ утонения диска подвеса

---

1. Способ утонения диска подвеса

Суть способа заключается в том, что осторожно соскабливается некоторый объем вещества с подвеса. В результате повышается гибкость подвеса и, как следствие, снижается частота резонанса. Рекомендуется для «шелковых» мембран.  Для изделий из пластика утонение делать сложнее.  Ширину утонения можно брать от внутреннего зеленого кольца (внутренний диаметр опорных колец) и до внешней границы гофра(синяя сплошная линия)- это идеальный вариант. На практике, сделать такую процедуру подручными средствами невозможно. Поэтому, будет технологичнее сделать утонение от края подвеса и до некой условной линии (на схеме синяя штрих-пунктирная)

За. Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде.

Против. Если сделать неравномерный съем материала, может нарушиться динамическая балансировка катушки в магнитном зазоре, могут появиться перекосы. Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.

---

2. Перфорация по предложеной статье

Способ понижения  частоты с помощью перфорации по своей сути не нов. Есть заводские импортные динамики, в которых используется этот способ. Применим к мембранам любого типа. Главная проблема этого способа – что делать с образовавшимися  отверстиями и как минимизировать возможное их влияние на звуковую картинку. И второй момент, нарушается герметичность МС. Делать перфорацию я порекомендовал не выходя за пределы внутреннего диаметра кольца более, чем на 1,5 мм. А лучше в пределах ширины колец, чем обеспечится полная герметичность динамика при достигнутом снижении жесткости подвеса.  Если же делать перфорацию на большую ширину, то думаю, что можно образовавшиеся отверстия заклеить кольцом из скотча, наклеив его по внешней поверхности.

За. Эффект достигается, головка не теряет в своем внешнем виде, если не считать перфорации.

Против: Процесс необратим. Перфорацию нужно проводить аккуратно, в пределах очерченных габаритов и с соблюдением симметрии. (если не прав, автор идеи поправит) Повторяемость ниже среднего. Лично я, не имея в запасе мембраны, не рисковал бы.

---

3. Перфорация иголкой

Этот метод не нов, вычитал его еще в далекие 80-е в каком то журнале. Там рассматривался способ изготовления самодельного динамика для радиоприемника.

Суть метода заключается в том, что по окружности, начиная  впритык к крепежным кольцам, в подвесе делаются отверстия иглой для шитья через определенное расстояние( на рисунке эти проколы условно изображены желтыми-оранжевыми точками). Затем отступив, примерно 1 мм, делается второй круг отверстий, но уже со сдвигом . Таких окружностей можно сделать 3-5.

Данный способ хорош для «шелковых» мембран – микроворсистость нитей перекрывает отверстия и , по сути динамик сохраняет свою герметичность.

За. Многочисленность проколов компенсирует ошибки при нарушении симметрии нанесения проколов, не нарушается герметичность динамика. Повторяемость выше среднего. Не требуется  высокой квалификации, достаточно острого зрения и прямых рук.

Против. Процесс необратим. Для пластиковых мембран потребуется делать прожигание.

---

4. Увеличение внутреннего диаметра крепежных колец

В обсуждении указанной выше статьи я предлагал, как вариант, сделать кольца уже, что должно было бы снизить резонанс за счет увеличения гибкости подвеса.  Правда, гложили меня смутные сомнения в этом вопросе. Однако порывшись в интернете, я обнаружил на одном из форумов, что идея с кольцами уже применялась! Люди обсуждали это в далеком уже 2010 году. И что самое поразительное, как указывает экспериментатор, проводивший сей эксперимент, достаточно, примерно, на 1 мм увеличить внутренний диаметр колец, чтобы частота резонанса ушла на 1,5 кГц! Таким образом, если изначальную ширину кольца (две зеленые окружности) уменьшить путем увеличения внутреннего диаметра (штриховая линия), то вопрос резонансной частоты решается в приемлемом диапазоне.

Дешево и сердито!

Думаю, что тут можно было бы поэкспериментировать и с материалом для колец: кожа, резина, ткани и другие эластичные материалы.

За и против комментировать не буду, все и так понятно.

Отмечу лишь, что длины катушек  могут несколько отличаться от номинала и, если, например, применить в 6 ГДВ-6 мембрану от 10 ГДВ-2, то  нижнее кольцо нужно обязательно утолщать. В этом случае будет полезным нижнее кольцо сделать из тонкой кожи, что дополнительно улучшит характеристики динамика.

---

5. Применение фильтра

Как указывают рекомендующие этот способ специалисты, фильтр позволяется обрезать горб на частоте основного резонанса. Но, на мой взгляд, есть одно но. Фильтр будет обрезать и полезный сигнал. А учитывая, что фильтр  захватывает некую полосу сигнала, как это отразится на звуковой картинке?

За. Не знаю, не пробовал, может быть,  кто-то подробнее обрисует картину

Против: Если быть буквоедом, то в некотором смысле теряется аутентичность АС))

---

С уважением: Шел Мимо

P.S. Просьба, булыжники складывать в кучу, место укажу. Скоро начну строиться, пригодятся  камешки)

Выбираем частоту среза.

<font color=»blue»>Выбираем частоту среза. </font>

Один из обязательных этапов настройки звучания в салоне автомобиля — подбор оптимального разделения частот между всеми излучающими головками: НЧ, НЧ/СЧ, СЧ (если есть) и ВЧ. Есть два способа решения этой проблемы. Во-первых, перестройка, а зачастую и полная переделка штатного пассивного кроссовера, во-вторых — подключение динамиков к усилителю, работающему в режиме многополосного усиления, так называемые варианты включения Bi-amp (двухполосное усиление) или Tri-amp (трехполосное усиление).

Первый способ требует серьезных знаний электроакустики и электротехники, поэтому для самостоятельного применения доступен только специалистам и опытным радиоэлектронщикам-любителям, а вот второй хотя и требует большего числа каналов усиления, доступен и менее подготовленному автолюбителю.

Тем более что подавляющее большинство продаваемых усилителей мощности изначально снабжены встроенным активным кроссовером. У многих моделей он настолько развит, что с успехом и достаточно высоким качеством позволяет реализовать многополосное включение АС с большим числом динамиков. Однако отсутствие развитого кроссовера в усилителе или головном устройстве не останавливает поклонников этого метода озвучивания салона, поскольку на рынке представлено множество внешних кроссоверов, способных решать данные задачи.

Вначале следует сказать, что стопроцентно универсальных рекомендаций мы вам не дадим, поскольку их не существует. Вообще, акустика — это область техники, где эксперименту и творчеству отведена большая роль, и в этом смысле поклонникам аудиотехники повезло. Но для проведения эксперимента, чтобы не получилось, как у того сумасшедшего профессора — со взрывами и дымом, — необходимо соблюдать определенные правила. Первое правило — не навреди, а о других речь пойдет ниже.

Больше всего трудностей вызывает включение СЧ- и (или) ВЧ-компонентов. И дело здесь не только в том, что именно эти диапазоны несут максимальную информационную нагрузку, отвечая за формирование стереоэффекта, звуковой сцены, а также сильно подвержены интермодуляционным и гармоническим искажениям при неправильной установке частоты разделения, но и в том, что от этой частоты непосредственно зависит и надежность работы СЧ- и ВЧ-динамиков.

Включение ВЧ-головки.

Выбор нижней граничной частоты диапазона сигналов, подаваемых на ВЧ-головку, зависит от числа полос акустической системы. Когда применяется двухполосная АС, то в наиболее типичном случае, т.е. при расположении НЧ/СЧ-головки в дверях, для поднятия уровня звуковой сцены граничную частоту желательно выбрать как можно ниже. Современные высококачественные ВЧ-динамики с низкой резонансной частотой FS (800-1500 Гц) могут воспроизводить сигналы уже с частоты 2000 Гц. Однако большинство используемых ВЧ-головок имеют резонансную частоту 2000-3000 Гц, поэтому следует помнить, что чем ближе к резонансной частоте мы устанавливаем частоту разделения, тем большая нагрузка ложится на ВЧ-динамик.

В идеале, при крутизне характеристики затухания фильтра 12 дБ/окт, разнос между частотой разделения и резонансной частотой должен быть больше октавы. Например, если резонансная частота головки 2000 Гц, то с фильтром такого порядка частота разделения должна быть установлена равной 4000 Гц. Если очень хочется выбрать частоту разделения 3000 Гц, то крутизна характеристики затухания фильтра должна быть выше — 18 дБ/окт, а лучше — 24 дБ/окт.

Есть еще одна проблема, которую необходимо учитывать при установке частоты разделения для ВЧ-динамика. Дело в том, что после согласования компонентов по воспроизводимому диапазону частот вам необходимо еще согласовать их по уровню и фазе. Последнее, как всегда, является камнем преткновения — вроде бы все сделал правильно, а звук &quot;не тот&quot;. Известно, что фильтр первого порядка даст сдвиг фазы на 90°, второго — 180° (противофаза) и т.д., поэтому во время настройки не поленитесь послушать динамики с разной полярностью включения.

К диапазону частот 1500-3000 Гц человеческое ухо очень чувствительно, и для того, чтобы передать его максимально хорошо и чисто, следует быть крайне осторожным. Сломать (разделить) звуковой диапазон на этом участке можно, но следует подумать, как потом правильно устранить последствия неприятного звучания. С этой точки зрения более удобная и безопасная для настройки — трехполосная акустическая система, а используемый в ней СЧ-динамик позволяет не только эффективно воспроизводить диапазон от 200 до 7000 Гц, но и более просто решить проблему построения звуковой сцены. В трехполосных АС ВЧ-динамик включают на более высоких частотах — 3500-6000 Гц, то есть заведомо выше критичной полосы частот, а это позволяет снизить (но не исключить) требования к фазовому согласованию.

Включение СЧ-головки.

Прежде чем обсудить выбор частоты разделения СЧ- и НЧ-диапазонов, обратимся к конструктивным особенностям СЧ-динамиков. В последнее время у инсталляторов очень популярны СЧ-динамики с купольной диафрагмой. По сравнению с конусными СЧ-динамиками они предоставляют более широкую диаграмму направленности и проще в установке, поскольку не требуют дополнительного акустического оформления. Основной их недостаток — высокая резонансная частота, лежащая в пределах 450-800 Гц.

Проблема в том, что чем выше нижняя граничная частота полосы сигналов, подаваемых на СЧ-динамик, тем меньше должно быть расстояние между СЧ- и НЧ-головками и тем более критично, где именно стоит и куда сориентирован НЧ-динамик. Практика показывает, что купольные СЧ-динамики без особых проблем с согласованием можно включать с частотой разделения 500-600 Гц. Как видите, для большинства продаваемых экземпляров это достаточно критичный диапазон, поэтому, если вы решились на такое разделение, порядок разделительного фильтра должен быть достаточно высоким — например, 4-й.

Следует добавить, что в последнее время стали появляться купольные динамики с резонансной частотой 300-350 Гц. Их можно использовать, начиная с частоты 400 Гц, но пока стоимость таких экземпляров достаточно высока.

Резонансная частота СЧ-динамиков с конусным диффузором лежит в пределах 100-300 Гц, что позволяет использовать их, начиная с частоты 200 Гц (на практике чаще используется 300-400 Гц) и с фильтром невысокого порядка, при этом НЧ/СЧ-динамик полностью освобождается от необходимости работать в СЧ-диапазоне. Воспроизведение без разделения между динамиками сигналов с частотами от 300-400 Гц до 5000-6000 Гц дает возможность добиться приятного, высококачественного звучания.

Включение НЧ/СЧ-динамика.

Постепенно мы добрались до НЧ-диапазона. Современные СЧ/НЧ-динамики позволяют эффективно работать в полосе частот от 40 до 5000 Гц. Верхняя граница его рабочего диапазона частот определяется тем, откуда начинает работать высокочастотник (в 2-полосной АС) или СЧ-динамик (в 3-полосной АС).

Многих волнует вопрос: стоит ли ограничивать его диапазон частот снизу? Что же, давайте разберемся. Резонансная частота современных НЧ/СЧ-динамиков типоразмера 16 см лежит в пределах 50-80 Гц и благодаря высокой подвижности звуковой катушки эти динамики не столь критичны к работе на частотах ниже резонансной. Тем не менее воспроизведение частот ниже резонансной требует от него определенных усилий, что приводит к снижению отдачи в диапазоне 90-200 Гц, а в двухполосных системах еще и качества передачи СЧ-диапазона. Поскольку основная энергия ударов бас-бочки приходится на диапазон частот от 100 до 150 Гц, то первое, что вы теряете, четко выраженный панч (punch — удар). Ограничивая снизу при помощи ФВЧ диапазон воспроизводимых НЧ-головкой сигналов на 60-80 Гц, вы не только позволите ей работать намного чище, но и получите более громкое звучание, другими словами — лучшую отдачу.

Сабвуфер.

Воспроизведение сигналов с частотами ниже 60-80 Гц лучше возложить на отдельный динамик — сабвуфер. Но помните, что звуковой диапазон ниже 60 Гц в автомобиле не локализуется, а значит, место установки сабвуфера не столь существенно. Если вы это условие выполнили, а звук сабвуфера все равно локализуется, то в первую очередь необходимо увеличить порядок ФНЧ. Не следует также пренебрегать и фильтром подавления инфранизких частот (Subsonic, или ФИНЧ). Не забывайте, что у сабвуфера тоже есть своя резонансная частота и, отсекая частоты, лежащие ниже нее, вы добиваетесь комфортного звучания и надежной работы сабвуфера. Как показывает практика, погоня за глубокими басами существенно удорожает стоимость сабвуфера. Поверьте, если собранная вами звуковая система с хорошим качеством воспроизводит звуковой диапазон от 50 до 16 000 Гц, этого вполне достаточно, чтобы комфортно слушать музыку в автомобиле.

Способы сопряжения головок.

Довольно часто возникает вопрос: следует ли иметь одинаковый порядок фильтров НЧ и ВЧ? Вовсе не обязательно, и даже совсем не обязательно. Например, если вы установили двухполосную фронтальную АС с большим разнесением динамиков, то чтобы компенсировать провалы ЧХ на частоте разделения, НЧ/СЧ-головку зачастую включают с фильтром меньшего порядка. Более того, даже не обязательно, чтобы частоты срезов ФВЧ и ФНЧ совпадали.

Скажем, для компенсации избыточной яркости в точке разделения НЧ/СЧ-головка может работать до 2000 Гц, а высокочастотник — начиная с 3000 Гц. Важно помнить, что при использовании фильтра первого порядка разность между частотами среза ФВЧ и ФНЧ должна быть не больше октавы и уменьшаться с увеличением порядка. Такой же прием используется при сопряжении сабвуфера и мидвуфера для ослабления стоячих волн (бубнения басов). Например, при настройке частоты среза ФНЧ сабвуфера на 50-60 Гц, а ФВЧ НЧ/СЧ-головки на 90-100 Гц, по заверениям знатоков, полностью устраняются неприятные призвуки, обусловленные естественным подъемом АЧХ в этой частотной области из-за акустических свойств салона.

Так что если и работает в car audio правило перехода количества в качество, то подтверждается оно только в отношении стоимости отдельных компонентов и человеко-лет, определяющих опыт и мастерство установщика, который заставит систему раскрыть свой звуковой потенциал.

<font color=»red»>1.Разделительный фильтр (кроссовер, или crossover) — устройство, которое осуществляет частотное разделение сигналов. Не будет ошибкой сказать, что кроссовер — это устройство, состоящее из набора фильтров нижних частот (Low Pass, или ФНЧ), верхних частот (Hi Pass, или ФВЧ) и полосно-пропускающего (Band Pass, или ППФ).

2.Фильтр нижних частот (ФНЧ) из широкополосного звукового сигнала выделяет спектральные составляющие, лежащие ниже частоты среза, и подавляет все остальные. Фильтр верхних частот (ФВЧ) выделяет спектральные составляющие, лежащие выше частоты среза, и подавляет остальные, а полосно-пропускающий фильтр (ППФ) из всего спектра сигнала выделяет узкую полосу частот.

3.Все фильтры характеризуются порядком и частотой среза. Частота среза — это частота, на которой уровень подавляемого сигнала становится на 3 дБ меньше, чем уровень пропускаемого сигнала. О порядке фильтра можно судить по крутизне характеристики затухания: чем выше порядок, тем сильнее затухание зависит от частоты.

4.Фильтр первого порядка имеет крутизну характеристики затухания 6 дБ/окт, второго — 12, третьего — 18, а четвертого — 24 дБ/окт. Например, если мы включаем НЧ-головку с ФНЧ первого порядка с частотой среза 100 Гц, то приходящий на нее сигнал с частотой 200 Гц будет меньше по уровню на 6 дБ (то есть в 2 раза), второго порядка — на 12 дБ (в 4 раза), а четвертого — на 24 дБ (в 16 раз).</font>

---

Полезные темы:

На перекрёстке двух частот. Главный принцип автомобильного сабвуфера

Журнал «АвтоЗвук»  2006 г.  №3
Андрей Елютин

На перекрёстке двух частот. Главный принцип автомобильного сабвуфера

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