Форум premium-a-class.ru

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ НИЗШИХ ЧАСТОТ

ПЕРВОИСТОЧНИКИ, АЧХ, КПД, ОПЫТЫ…

Эта тема популярна в прессе и Интернете. И, так же, как в других областях воспроизведения звука, вокруг нее роится много легенд и заблуждений. Проблема еще и в том, что существующая теория сама небезупречна. Настоящая статья не предполагает очередного воспроизведения канонических результатов, их можно найти во многих книгах и статьях, в частности, наиболее близко к первоисточнику методика Тиле-Смолла изложена в брошюре Элеоноры Виноградовой «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками», выпущенной издательством «Энергия» в 1978 году. А здесь будет изложен критический взгляд на эту проблему, опирающийся на обширную практику автора.

В брошюре Виноградовой, которую дальше я буду обозначать 966, поскольку именно под этим номером она вышла в Массовой Радиобиблиотеке (МРБ) издательства «Энергия», сказано, что «Новак, Тиле, Бенсон и Смол и др.» (как видите, за 30 следующих лет две, как минимум, фамилии почему-то выпали из употребления J) «создали достаточно строгую теорию громкоговорителя». Это неверное утверждение. Теория была создана задолго до того, как перечисленные господа занялись профессиональной деятельностью и была недостаточно строгой, поскольку опиралась на математическую модель, исходящую из существенных упрощений физической природы. Заслуга вышеупомянутых господ (сокращенно НТБС) в том, что они адаптировали существовавшую теорию под инженерные нужды. Стоит напомнить, что к началу 1970-х годов даже в США терминалы компьютеров не стояли на каждом рабочем столе и готовые прикладные программы еще не были доступны каждому желающему. Поэтому доступность, прозрачность расчетных формул и реально простая методика измерений параметров головок способствовали росту рассматриваемой отрасли.

Однако, ряд утверждений и рекомендаций, следующих их этой методики, противоречат практике. Но об этом почти нет публикаций, видимо, получив простой и удобный инструмент, заинтересованные лица облегченно вздохнули и перестали проявлять научную любознательность. С тех пор та небольшая часть акустики, которая была посвящена столь любимой нами музыке, практически не развивалась. Не могу сказать, что то, что будет излагаться дальше, имеет сколько-нибудь приемлемую научную строгость, нет, нисколько. Просто за многие годы практических занятий в области музыкальной акустики, особенно в последние 8 лет, когда в мои руки попала достаточно точная измерительная аппаратура, накопились наблюдения, расходящиеся с каноническими результатами. Пусть для некоторых адептов это будет кощунством и святотатством, но я попробую впервые систематизированно и целенаправленно излить недоумение и раздражение, подспудно накопившееся среди акустического сообщества.

Исходная физическая модель подразумевает соблюдение простейших эмпирических газовых законов, в частности, Бойля-Мариотта, т. е. изотермичность процесса, при этом одновременно декларируется и, в сущности, адиабатичность процесса, хотя ни тем, ни другим (т. е. происходящим либо при неизменной температуре, либо при отсутствии обмена теплом с внешней средой) процесс быть не может, тк. излучение звука сопровождается значительной подкачкой тепла из-за вентиляции звуковой катушки и потерь в акустическом сопротивлении воздуха внутри колонки и ее заполнения. Линейность процессов наблюдается в физических опытах в небольшом диапазоне давлений и температур вдалеке от критических точек - фазовых переходов. Эти точки для атмосферы внутри колонок действительно далеки от соответствующих параметров кислорода и азота, но в атмосферном воздухе очень много паров воды, которая в этом плане является причиной нелинейности, поскольку насыщенность влагой в реальном диапазоне давлений внутри колонки находится зачастую на грани точки росы. Кроме того, в качестве исходного упрощения принимается симметричность акустических сопротивлений передней и задней колеблющимся поверхностям диффузора. Во времена оные их можно было считать таковыми (ну, очень приблизительно!), в той же 966 объем колонки принимается равным 1.4 эквивалентного объема Vas. Современная реальность такого не позволяет и редко когда удается сделать внутренний объем хотя бы равным Vas, а обычно в 2–3, а то и 4 раза меньше Vas, в этих условиях акустические сопротивления также отличаются в несколько раз – по моим измерениям разница давлений вблизи от диффузора вне хорошо сделанной колонки и внутри нее составляет не менее 30 дБ.

На основе этих физических допущений была принята математическая модель, в которой совокупность механических элементов динамического громкоговорителя сведена к трем элементам последовательного электрического колебательного LCR – контура. Тут принципиально не учитывается еще и нелинейность механических подвесов, коих, как минимум два и магнитных полей в «моторе». В этой модели предполагается, что крутизна спада частотной характеристики ниже частоты среза равна 12 дб/октава. Фазоинвертор, изобретенный в 1932 году, моделируется двумя связанными LC-контурами – последовательным и параллельным. Отсюда делается вывод о крутизне спада 24дБ/октава. Оба этих показателя в опытах не подтверждаются. У ЗЯ крутизна 12дб/октава наблюдается только в начале первой октавы ниже частоты среза, а уже во второй октаве она достигает 24 дБ/октава. Прослеживать полосы ниже не представляется целесообразным, тк. при частоте среза 40 Гц первая октава – это до 20 Гц, а вторая и вовсе 10 Гц, ниже которой ничего нет в музыкальных фонограммах и которую реальным громкоговорителям не воспроизвести. Собственно говоря, такой крутой спад АЧХ наблюдается постоянно, возьмите хотя бы тесты домашних колонок в журнале «Салон AV», просто никому в голову не пришло сопоставить опытные данные и голословное утверждение «основоположников».

У ФИ с конструктивными параметрами, выбранными в соответствии с рекомендуемыми в аудиопрессе и сопроводительных материалах к сабвуферным головкам, когда рекомендуется диаметр трубы 5 см для 8” саба, 7 см для 10” и 10 см для 12”, крутизна спада практически во обеих октавах вниз от частоты среза составляет 12 дБ/октава. Т.е. такой ФИ ведет себя, как идеальный закрытый ящик. Частично это несоответствие объясняется большим акустическим сопротивлением, оказываемым узкой трубой инвертора, из-за чего акустического короткого замыкания не происходит. У правильного ФИ спад круче, но ненамного. Правильный – это когда площадь отверстия трубы не менее половины эффективной площади диффузора, т. е. для 12” саба диаметр трубы должен быть не менее 18–20 см, при этом оптимальный формат длины трубы должен составлять L=2√S. Страшно? Да ничуть! Ведь только при этом удается получить подъем АЧХ на частоте настройки, причём не более 3 дБ. При размерах ФИ, рекомендуемых в прессе, получить горб никак не удастся, хотя теория НТБС и коммерческие программы на ее основе, например, JBL Speaker Shop, его обещают, притом в немеряных количествах. В 966 приведена формула (41), указывающая, что кпд громкоговорителя (головки в оформлении) пропорционален объему ящика и кубу нижней граничной частоты. Несостоятельность этого утверждения очевидна из простого сопоставления кпд ЗЯ и, скажем, фриэйрного оформления. Фриэйр должен, вроде, отдавать гораздо больше, но нет, не получается. Это несложно проверить со многими головками, например, Prology NEO-10, который очень вкусно играет во фриэйре, но при этом приемлемо басит и в ЗЯ. Или вот пример, понятный участнику соревнований на максимальное звуковое давление – когда выбираешь параметры ФИ, то Спикершоп зовет увеличивать объем ящика и повышать частоту настройки, рисуя все более завлекательные АЧХ. Когда построишь такой ящик, то измерения быстро охлаждают пыл – ничего похожего не происходит.

А вот формула стандартного звукового давления (т. е. развиваемого при стандартной мощности 0.1 вт), взятая из классической теории:

Pn=(ρr²ώ/6.3 m ώ¹)√ B²l²/(Rг+Rx) x 1/ √ (1/Q² + ( ώ/ώ¹ — ώ/ώ¹)² ), где

ρ =1.3 кг/м³ плотность воздуха, r – эффективный радиус диффузора, m –масса подвижной системы головки, ώ – текущая частота, для которой вычисляется давление, ώ¹ — резонансная частота головки в исследуемом оформлении, Bl – конструктивный параметр головки, характеризующий её техническое совершенство – произведение индукции в зазоре на длину провода катушки («мотор» головки), Rг – выходное сопротивление источника сигнала (усилителя), Rх – сопротивление звуковой катушки, ом, Q в данной формуле – полная добротность головки в исследуемом оформлении.

Из этой формулы видно, что отдача громкоговорителя тем выше, чем мощнее «мотор», больше диаметр и меньше вес диффузора. Однако, первым сомножителем стоит плотность воздуха! Не стоит думать, что это просто константа, с которой ничего нельзя сделать. И суть даже не в том, что можно физически поднять это значение, на что, кстати, в свое время обратили внимание организаторы американских соревнований по звуковому давление и запретили менять атмосферный состав газов в салоне. Дело в том, что можно менять этот параметр виртуально. Громкоговорителю по сути важна упругость атмосферы в области излучения, она же акустическое сопротивление излучению. Дело в том, что для любого акустического излучателя излучаемая мощность равна

P = V R, где

V это объемная скорость на поверхности излучателя, а R это акустическое сопротивление, которое в том числе зависит от плотности среды, в которую происходит излучение, в нашем случае атмосферы

Но рассмотренный традиционный колебательный механизм возбуждения акустических колебаний в атмосфере — это лишь один из компонентов создания звукового давления. Кроме того следует назвать резонансный (стоячие волны), модуляцию объема помещения при движении диффузора (компрессионный) и концентрацию. Несмотря на свою очевидность, модуляция объема вносит минимальный вклад и может быть реально полезной только в специальных SPL-ных автомобилях с минимального размера герметичным салоном. За «волшебное» явление, называемое в обиходе «передаточной функцией салона», ответственны резонансные явления и концентрация.

Американцы, впервые отметившие явление подъема АЧХ к нижнему концу диапазона, назвали его компрессионным, объявили, что давление определяется амплитудой колебаний диффузора и поэтому должно расти обратно пропорционально частоте с крутизной 12 дБ/октава. Но, в отличие от телефонной фирмы Bell, собравшей в 20-е годы 20 века блестящую плеяду инженеров-исследователей, в отличие от проектов разработки стереовещания в 50-е годы и кинотеатральных звукоусиливающих установок в 60-е (откуда, например, пошли фильтры Линквица-Райли), эти «исследования» были чисто любительскими и научный уровень, как это обычно происходит с американскими звуковыми разработками последних лет, не выдерживает самой элементарной критики и экспериментальной проверки.

Реальных опытов по измерению передаточной функции было проведено немного, лучший был описан в статье Андрея Елютина и Юрия Евтушенко «Право на передачу» в «Автозвуке N8 2000г. Итогом исследования в нескольких автомобилях явился подъем 10–15 дБ к концу второй октавы вниз от опорной частоты 80Гц, а вовсе не 24. Откуда следует, что добиться ровной АЧХ никак не получается, т. к. подъем в салоне меньше 12 дб/октава, а спад АЧХ закрытого ящика больше. Отсюда понятно, что АЧХ всегда, при любом выборе параметров будет неровной.

Компрессионный механизм не может быть причиной, во всяком случае основной, подъема АЧХ в салоне, поскольку его действие очень мало. Попробуйте посчитать самостоятельно. При движении диффузора компрессионное давление в салоне меняется пропорционально изменению объема. В качестве опорной точки возьмите давление 1 атм, равное 180 дБ, а также давление, развиваемое сабвуфером в салоне при подводимой мощности 1 вт примерно 90–96 дБ, при этом смещение диффузора площадью, скажем 0.06 метра (для 12 дюймовой головки) измеряется долями миллиметра, а давление растет (на малых мощностях) пропорционально корню квадратному из мощности. Объем салона измеряется кубометрами. Против компрессионного механизма голосует и такой «маленький» факт – всем СПЛ-щикам известно наличие «волшебной» частоты, на которой достигается максимальное давление. Забавно и труднообъяснимо то, что вне зависимости от размера и конфигурации салона, типа и расположения саба в салоне, в коротком и почти прямоугольном очень жестком и герметичном салоне специального СПЛ-ного монстра и в более длинном гражданском хетчбеке с сабом, установленном у нечетной двери, эта частота одна – примерно 55 Гц, а совсем не 20 Гц, как следует из псевдо-теории. Кстати, одной из ее жертв в 2002 году пал известный в Питере производитель концертных головок громкоговорителей В. Карельский. Он выкатил на местные соревнования минивен, оснащенный батареей 18-дюймовых громкоговорителей, настроенных вблизи нижней границы слышимых звуков. И при такой энерговооруженности едва сумел преодолеть рубеж 150 дБ. Хотя там же тот же УАЗ-Пролоджи на 6 12” сабах при настройке около 50 Гц при меньшей мощности развил почти 160.

Немного автомобилей, в которых эта частота не была выражена – это упомянутый СПЛ-монстр от Пролоджи, в котором сабы были установлены в многоячеистый рупор, из-за чего не возникали стоячие волны, из-за чего «волшебной» частоты просто не было, хотя подъем АЧХ в полосе 50–60 дБ все-таки наблюдался. Второй – это авто из первого в России СПЛ-ного сезона с 15”сабами в компактных ящиках, у которых АЧХ на частоте 140Гц имела подъем на 11 дб, благодаря чему развивала до 153 дБ, что для тех времен – выдающийся результат. Надо ли дополнительно пояснять, откуда такие данные? Просто оба автомобиля были подготовлены мной.

Против компрессионного механизма и такое явление, давно отмеченное СПЛ-щиками – когда приоткрываешь дверь или окно давление увеличивается. Немного, на 1–2 дБ, но все-таки. Кстати, в том черном УАЗе-Пролоджи увеличение было существенно больше. Так при чем тут компрессия?

Важнейшим механизмом является концентрация. Чем меньше телесный угол, в который излучает головка, тем больше акустическое сопротивление и тем больше отдача громкоговорителя. Это можно толковать, как виртуальное повышение плотности атмосферы в зоне излучения. В пределе, когда угол излучения стремится к нулю, получается рупор. Эффективность рупора может быть весьма большой. Так, простейший по форме широкогорлый рупор в черном УАЗе-Пролоджи обеспечивал эффективность +14дб. Кстати, важнейшим параметром рупора, определяющим нижнюю граничную частоту излучения, является длина периметра выходного отверстия. Странным делом эта частота очень близка к той самой «волшебной» частоте, если за периметр выходного отверстия принять кривую «крыша- 2 стенки – пол» салона автомобиля. Что-то вроде объемного резонанса с резонатором такого размера. Если какой-то образованный физик или математик захочет обратить эту догадку в строгую математическую форму – глубокий ему поклон за это.

Кстати, из предыдущего абзаца следует настоятельная рекомендация не устанавливать саб в изолированном от кузова объеме, например, подвешенном в багажнике хетчбека или универсала. Бывает красиво, слов нет, но поскольку в данном случае телесный угол излучения равен полному, то и отдача такого саба будет минимальна. Следующая по неэффективности конфигурация – это с ориентацией саба в салон через «лыжный» люк. Акустическая нагрузка в этом случае минимальна и отдача низка. Зато конфигурации с сабами, расположенными в багажнике (у спинки сиденья или крыла) или в полке за последним рядом сидений обеспечивают чувствительность значительно выше из-за большего акустического сопротивления либо из-за меньшего объема багажника по сравнению с салоном, либо из-за клиновой нагрузки. В разных машинах и в разных исполнениях трудно заранее отдать предпочтение одному из этих вариантов, но по моим измерениям преимущество по сравнению с ориентацией в салон достигает 6 дБ!