Там, где живут басы


с. 1

Там, где живут басы


Ирина АЛДОШИНА, Константин НИКИТИН, Собачка ЛУША

Так как интерес читателей к работе низкочастотных звеньев акустических систем не ослабевает никогда, я (К. К.) с М. А. Сергеевым, а затем и с Д. И. Ланским не раз позволял себе углубляться в разные аспекты этой темы. Как и было обещано ранее, для сегодняшнего повествования мы призвали в редакцию известного специалиста в области электроакустики доктора наук профессора Ирину Аркадьевну Алдошину.

И. А. Если допустить, что аббревиатуры hi-fi и high end хоть как-то связаны с натуральностью звучания системы и степенью совпадения этого звучания с реальным, то низкочастотное звено АС может оказаться тем самым „узким местом“, в которое не впишутся замыслы, воплощенные в источнике сигнала, усилителе и ненизкочастотных звеньях акустических систем.

С. Луша. Если это „узкое место“ порой занимает половину жилплощади, что же говорить о местах прочих...

И. А. Вы, подруга, затронули лишь один из вопросов, волнующих разработчиков низкочастотных звеньев. Действительно, наряду с выбором либо проектированием громкоговорителей („головок электродинамических“, как любят говорить многие) для разработчика важным до чрезвычайности оказывается выбор типа и проектирование корпуса АС, где главную роль играет выбор акустического оформления.

К. К. То есть вы хотите сказать, что добиться от скрипки контрабасового звучания одним лишь ослаблением натяжения струн весьма и весьма проблематично?..

С. Луша. Сдается мне, что и обратная процедура, основанная на натягивании контрабаса, тоже сомнительна.

И. А. Это понятно. Гриф сломается...

А впрочем, о чем это я?

Так вот, сегодня, а может быть, и в последующих публикациях, нас будет интересовать именно тип акустического оформления АС. Начнем мы с самых простых оформлений, но постепенно доберемся и до тех, что заметно сложнее.

Итак, корпус АС, базирующийся на той или иной идее акустического оформления, выполняет две основные функции.



Первая функция — это блокирование эффекта акустического „короткого замыкания“, возникающего на счет сложения в пространстве акустических колебаний, возбуждаемых передней и задней поверхностями диффузора и, естественно, противофазных (см. рис. 1).

Луша. Догадываюсь, что изоляция „вражьей стороны“ диффузора способна дать очень многое. Вот хозяйка моя с завязанным ртом собирает ягод раз в шесть больше... А развяжешь — бац!.. Короткое замыкание.

И. А. Вторая функция чуть сложнее. Для знакомства с нею нам прежде всего придется вспомнить, что из себя представляет динамик.

Луша. Магнит и моя миска на пружине...

И. А. Образное мышление. Так вот, наличие упругой возвращающей силы, обеспечиваемой пружинящим подвесом, предопределяет для динамика возможность лишь возвратно-поступательных движений миски, то есть, простите, диффузора.

Луша. Я так понимаю, что движения диффузора могут быть и просто поступательными...

И. А. Но только один раз.

Характер вынужденных колебаний диффузора при подаче сигнала теперь будет зависеть от многого. Во-первых, как и у грузика на пружинке, от массы подвижной системы и упругости подвеса. А во-вторых, от того, что вмешивается в работу „пружинки“. При характерных для низкочастотных звеньев скоростях движения диффузора воздух, его окружающий, способен оказать двоякое действие.

Это диссипативное действие, гасящее, демпфирующее колебание подобно амортизатору в автомобиле. Такое действие характерно для любых ситуаций, когда диффузор окружен воздухом. И упругое действие, когда воздух, сжимаемый той или иной стороной диффузора, оказывает на него воздействие, аналогичное воздействию подвеса. Это характерно для тех случаев, когда воздух заключен в закрытый объем, а в более общем случае каким-то образом оформлен. Это и означает „акустическое оформление“.

Собачка. А нельзя ли перед тем, как приступить к изучению наиболее известных оформлений, их хотя бы перечислить?

И. А. Наиболее широко применяются:
— бесконечный экран (infinite baffle1) и его разновидности;
— закрытый корпус (closed box, acoustical suspension, sealed box);
— корпус с фазоинвертором (bass reflex, vented box, ported box) и его многочисленные собратья;
— лабиринт (labyrinth);
— трансмиссионная линия (transmission line);
— корпус с симметричной нагрузкой (bandpass)2.

Луша. Итак, приступим...

И. А. Бесконечный экран.

Это устройство должно удовлетворять двум основным требованиям.



Луша. Быть экраном и быть бесконечным. Как „Санта-Барбара“.

И. А. То есть (рис. 1), помимо наличия „разделителя“ надвое акустического пространства, препятствующего акустическому короткому замыканию, „задний объем“ в корпусе тоже должен быть немалым, хотя бы настолько, чтобы головка не ощущала на себе упругого воздействия содержащегося в этом объеме воздуха. Те аудиолюбители, воспаленное воображение которых уже посетила мысль вмонтировать головку в стену между комнатами, наиболее близки к идее infinite baffle. Ведь на заре электроакустики широко применялись свернутые „бесконечные“ экраны, то есть коробки без задней стенки. Если их габариты соизмеримы с четвертьволновым отрезком, то короткое замыкание они устраняют вполне приемлемо, хотя уже, конечно, не полностью. Итак, запомним две особенности бесконечного экрана: полное предотвращение акустического короткого замыкания и полное отсутствие акустического демпфирования, то есть ситуация, при которой диффузор не чувствует за собой замкнутого объема.

Отсутствие акустического демпфирования может привести к появлению недопустимо большой амплитуды колебаний диффузора вблизи частоты механического резонанса, особенно это характерно для головок с мощным подвесом и тяжелым диффузором. В неаварийных случаях это явление сопровождается очень резким ростом искажений — до десятков процентов, нередко проявляющимся в откровенном похрюкивании АС.



К. К. Наверное, заднюю стенку комнаты вовсе не обязательно закладывать кирпичом.

Закрытый к воздушным подвесоморпус с (ранее употреблялось название „закрытый корпус компрессионного типа“).

По виду ничем не отличается от закрытого корпуса, выполняющего лишь функцию бесконечного экрана. Но теперь объем корпуса выбирается таким, что упругость содержащегося в нем воздуха активно вмешивается в процесс колебательного движения диффузора. Этот тип оформления запатентован в 1949 году Олсоном (H. Olson) и впервые использован в модели „AR-3“ фирмой „Acoustic Research“.

В начале 70-х Смолл (R. Small) опубликовал серию статей, в которых описал методику расчета подобных АС, что способствовало их широчайшему распространению.

Закрытый корпус предъявляет специальные требования и к излучающим головкам. Как правило, это выражается в требовании большой гибкости подвеса3, немалой массы подвижной системы (то есть, в совокупности, низкой резонансной частоты) и наличия магнитной системы, допускающей значительный ход. Такие головки имеют, как правило, сравнительно низкую чувствительность и заметные ограничения по воспроизведению верхней части звукового диапазона. Отсюда выплывают всем нам хорошо знакомые требования повышенной мощности усилителя и хорошо развитого среднечастотного звена. Тот факт, что основным „упругим“ звеном в закрытом ящике оказывается воздух, то есть почти идеальный газ, свидетельствует о высокой линейности воздушного подвеса.

К. К. Гарантом здесь, как я понимаю, выступают то ли Гей-Люссак, то ли Бойль — Мариотт...

Луша. То ли Менделеев — Клапейрон. Кстати, о Люссаке никогда бы такого не подумала...

К. К. в последнее время стало весьма популярным заострять внимание на характере газодинамических процессов в АС. Дискуссия идет о том, каким в той или иной системе является процесТы, подруга, всегда обращаешь внимание на частности. От пытливой же мысли наших ученых коллег не могут спрятаться и куда более общие вопросы. Например, с сжатия-расширения воздуха, изотермическим или адиабатическим.

И. А. Обратим внимание читателя на то, что нас интересует лишь быстрый процесс, развивающийся с частотой подводимого к АС сигнала. Именно он, а не медленный согрев газа за счет тепла, выделяемого по многим причинам (главная — тепловыделение в катушке), способен существенно повлиять на характеристики АС.

К. К. Итак, сжимает диффузор воздух в корпусе — температура растет. Растягивает — падает. Это — чистейшей воды адиабата.

Адиабатичность процесса, при которой закон Бойля — Мариотта, обеспечивающий линейность акустического подвеса, нарушается, свидетельствует о необходимости учета двух явлений, особенно если объем акустической системы мал, а площадь и ход диффузора — велики. Первое: большее, чем оговоренное законом Бойля — Мариотта, изменение давления адекватно снижению гибкости подвеса. Второе: значительная нелинейность газовой сре-ды должна учитываться, она ведет к искажениям.

И. А. Сразу успокоим разволновавшихся читателей. В реальных АС, изменение объема которых в связи с ходом диффузора не превышает единиц процентов, рассмотренные процессы не могут сколько-нибудь серьезно нарушить привычный ход событий.

Луша. И за Allegro в симфонии, как и ранее, последуют Andante и Scherzo?

К. К. Но, однако, в последнее время появилось немало работ, изучающих влияние присутствующего в корпусе АС „заполнения“ на характер газодинамических процессов4. Если это заполнение достаточно плотное (около 1% по объему вещества, что составит около 5 кг минеральной ваты для среднего размера АС), теплопроводящее, а волокна тонкие и распределены равномерно, то скорость теплообмена воздух — заполнение может оказаться очень высокой и во всем диапазоне низших частот, когда ход диффузора особенно велик, процесс сохранит изотермичность: сжатие — газ греется, а заполнение его охлаждает; растяжение — газ остывает, заполнение его греет. При частоте на сотню-другую герц выше процесс станет смешанным, а на более высоких частотах — опять чисто адиабатическим.

Луша. Что характерно, случаев глубокого аудиофильно-научного анализа влияния указанных процессов на звук нами не обнаружено.

К. К. Тем не менее, если появятся читатели, заинтересованные в дальнейшем изучении этого, безусловно интересного, момента, мы сможем удовлетворить их любопытство.

И. А. Разработанная Смоллом и Тиле (Thiele) методика проектирования АС с закрытым компрессионным низкочастотным оформлением ныне реализуется в ряде компьютерных программ (например, LEAP 4). Подобные методики позволяют, например, задав параметры головки (резонансную частоту в открытом пространстве fs, общую добротность Qts, эквивалентный объем Vas, эффективную площадь диффузора Sd, максимальное смещение подвижной системы Xmax и другие, см. например, ГОСТ 16122-88)5, рассчитать необходимый объем корпуса и затем параметры АС (добротность, резонансную частоту, частоту среза), то есть определить ее АЧХ.

К. К. Внимательный читатель может заметить, что в аудиомагазинах АС с НЧ-оформлением „закрытый корпус“ встречаются нечасто. Может, позволим себе маленькое лирическое отступление на эту тему?

И. А. Действительно, с точки зрения коммерчески привлекательных характеристик закрытый корпус может показаться средоточием недостатков. Частота среза — не низкая, чувствительность — не выдающаяся, объем — излишний. Все бы так, если бы не одно достоинство — звучат эти АС лучше всех. Лучше — в смысле „натуральнее“. В тех случаях, когда добротность АС близка к оптимальной (Q ~~ 0,707), а совокупная АЧХ — к наиболее плоской, closed box обеспечивает сухой, цельный, незатянутый бас. Лучшими ценителями такого баса оказываются те, кто нередко слышал оригинал — музыканты, „симфоникомеломаны“ и т. п. Аудиофилы, не отяготившие свой слух посещением акустических концертов, либо специализирующиеся на электронной музыке, частенько предпочитают другой бас — более сочный, „смачный“, иногда уже даже гулкий. У звукорежиссеров для его описания есть даже устоявшийся термин „наличие мяса в басе“,— профессионалы всегда вводят свои термины.

С. Луша (заметно оживившись). Так-так, пожалуйста, подробнее...

К. К. Закрытый корпус создает такой бас в случае недодемпфированности (Q > 0,707), а все или почти все остальные системы — в меру своих сил и возможностей. И все же наиболее продаваемыми, коммерчески значимыми оказываются другие типы акустического оформления, например фазоинверторы, разговор о которых мы начнем в следующей части нашего исследования.




В последние годы получили распространение, хотя тоже ограниченное, другие разновидности закрытого НЧ-оформления: Push-pull (рис. 2а, б) и Isobarik (рис. 2в–е). При первом типе оформления удается снизить нелинейные искажения, в основном за счет избавления от четных гармоник; при втором — вдвое снизить объем корпуса АС. Последняя конструкция была предложена Олсоном еще в 1950 году, но широкое применение получила только сейчас в составе сабвуферов.

Кстати, изобарическая конструкция в последнее время становится все более и более популярной. И дело не только в сокращении габаритов — рассматриваемая конфигурация позволяет эффективно просуммировать энергию двух головок, что актуально при использовании мощных усилителей.

И. А. В современных моделях Isobarik используется 4 основных конфигурации. Корпус типа tunnel, когда две головки установлены друг за другом или тыльной стороной друг к другу (рис. 2в, г); конструкция типа clamshell (рис. 2д) и planar (рис. 2е). В последнем случае головки установлены рядом на одной панели и нагружены на общую узкую воздушную камеру, при этом одна головка установлена в малый закрытый объем, вторая излучает в общий корпус АС с фазоинвертором.

Подробный анализ особенностей работы подобных систем выходит за рамки сегодняшнего повествования, поэтому отметим лишь некоторые важные моменты. В идеале диффузоры головок у Isobarik должны двигаться как единое целое, однако этому мешает ряд обстоятельств. Например, наличие закрытой камеры вносит дополнительную жесткость и дополнительную присоединенную массу, то есть добавочную „пружину“ между головками. Снижает идеальность взаимодействия головок также тот факт, что условия охлаждения магнитных систем оказываются различными: возможен перегрев узлов, находящихся в малом объеме, равно как и заполняющего этот объем воздуха. В этой связи clamshell нередко оказывается предпочтительнее.



К. К. Наверное, не надо всякий раз акцентировать внимание на том, что электрическая схема подключения головок к усилителю должна обеспечивать движение диффузоров в одном направлении. В зависимости от конфигурации этому будет способствовать либо синфазное, либо противофазное подключение.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ

1Учитывая разнообразие терминологических обозначений в зарубежной литературе, мы приводим английское название оформления, но только самое известное.
2Первая экскурсия в классификацию НЧ-оформлений АС в нашем журнале была сделана В. Зуевым (см. „АМ“ № 3 (8) 96, с. 55–57).— Ред.
3Нетрудно показать, что для упругого воздуха в корпусе тоже может быть введено понятие гибкости. Так вот, гибкость подвеса должна в 3–4 раза эту гибкость воздуха превышать.
4См., например, Gavin R. Rotland. Thermal Time Constants and Dynamic Compressibility of Air in Fiber — Filled Loudspeaker Enclosures. JAES, Vol. 46, № 3, 1998.
5Из всех перечисленных параметров, наверное, лишь „эквивалентный объем“ требует дополнительных пояснений. Vas — это такой объем воздуха, который, будучи заключенным в замкнутое пространство, обладает тем же упругим воздействием на диффузор, что и подвес.

с. 1

скачать файл