Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и глубоких басах

Каждый радиолюбитель, кто хоть раз самостоятельно строил акустические системы знает, что даже точное испол­нение проекта, рекомендаций авторов конструкции не всегда приводят к получению желаемого результата. При всей сложности или просто невозможности оценки качества самодельных акустических систем в домашних условиях, кроме как «на слух», авторы конструкций часто не приводят ни методик оценки своих проектов, ни рекомендаций по их применению (размещению и подключению акустики). Бывает, что после повторения очередного «шедевра», когда проходит радость от окончания работ над ним, наступает период мучительных оценок и выводов. Энтузиазм и минутная эйфория часто сменяются почти разочарованием. Действительно, сложно уже в готовой конструкции искать причины неудовлетворительной работы, когда делалось «все как надо». А может быть конструкция хорошая, но усилитель «не такой» или другое... Знакомо?

Посмотрите в радиолюбительских журналах прошлых лет статьи, посвященные конструированию акустических систем. Уважаемые авторы создавали свои варианты практически всле­пую, без учета физики электромеханических преобразований и акустики как таковой. Бесспорно, ряд конструкций самодельных акустических систем, приемов доработок промышленных акустических систем и динамических головок - являются удачными и заслуживают внимания. Многие конструкции стали для любителей высококачественного звуковоспроизведения хорошей «школой» в бесконечном циклическом процессе создания или переделки акустической системы по принципу: «Вот-вот и станет совсем хорошо...». Но, заметьте, что авторы сравнивали свои разработки (максимум) с промыш­ленными образцами акустических систем заводов бывшего СССР. Попробова­ли бы они сравнить свои проекты с продукцией таких фирм как BOSE или JBL...

Возражение против покупки акустической системы импортного производства нижней и средней ценовой категории следующее: «А кто Вам сказал, что такая акустика в Вашей жилой комнате будет звучать, а не излучать сладкоголосые звуки?». Мотивы типа: «Все равно так не сделать» - не убеждают. Конечно, есть образцы фирменной акустики, которые бесподобны по своей конструкции и звучанию, но и стоимость их (как и всего ноу-хау) очень высока.

Даже сейчас, когда появилась реальная возможность использования качественных современных динамических головок, продолжают встречаться описания самодельных акустических систем (уже на новой элементной базе), наследующие ошибки конструкций предыдущих лет. Такое впечатление, что в нынешнем много­образии выбора исходного материала мы можем рассчитать и грамотно построить только корпус АС(ящик). На самом деле, не только объем акустической ситсемы является определяющим показателем качества. Иногда и правильно рассчитанный с точки зрения равномерной АЧХ корпус не звучит. При снижении основного недостатка существующих динамических головок - значитель­ной неравномерности АЧХ в средне- высокочастотном диапа­зоне, они мало чем будут уступать доброй трети импортных и на них можно построить акустическую систему, которая будет удовлетворять взыс­кательного слушателя.

Вся прелесть процесса самостоятельного создания акустической системы зак­лючена в свободе выбора конструкции и получении желаемо­го результата независимо (или почти независимо) от затрат, чего нельзя достичь в массовом производстве. А значит, был и остается смысл попытаться пополнить свои знания и начать сначала. Несмотря на то, что в этом материале конкретная конструкция акустической системы не приводится, некоторые аспекты работы низкочастотного звена акустической системы излагаются с практической точки зрения и доступны для повторения или самостоятельного анализа с достаточной точностью. Первое. Акустика помещения, а проще говоря жилой ком­наты, далека от совершенства. Если Вы не можете улучшить акустику помещения по всем правилам (пропорции «золотого сечения 0,618 :1 :1,618», разумного использования звукопог­лощающих материалов, выбора места размещения акустической ситсемы, выбо­ра точки прослушивания и т.д.), то Вам, действительно, стоит присмотреть мини-комплекс и успокоиться. В противном случае - идем дальше. С одной стороны, каждая комната звучит по-своему даже после внесения в обстановку всех разумных изменений. С другой стороны, каждый из нас знает особенности своего жилища, мы привыкли к «домашней» окраске звуков. Наш мозг подсознательно начинает трансформировать слышимое к его первоначальному колориту. Поэтому, что действительно необходимо попытаться сделать в комнате - это минимизировать стоячие волны, привести в приемлемое зна­чение уровень реверберации, убрать или задемпфировать резонирующие предметы (поверхности) и организовать правильную зону прослушивания.

Второе. Появление новых источников звука, основанных на цифровых технологиях, таких как видео Hi-Fi (с ЧМ записью звука) магнитофоны, ПК (MPEG), компакт- и мини-диски, предъявляет к акустической системе новые требования: повышенная равномер­ность фазо-частотной и амплитудно-частотной характеристик, широкий динамический диапазон, минимальные интермодуляционные искажения. Природа искажений в АС обусловлена физикой процесса звуковоспроизведения и настолько много­гранна, что все виды искажений вряд ли можно устранить на практике. Однако, часть из них хорошо изучена в радиолюби­тельском мире, а значит и поддается контролю в процессе конструирования. Главное правило должно быть таким: каждый вид искажений уменьшается индивидуально и тщательно.

Третье. Стоимость работ. В любом случае стоимость мате­риалов и комплектующих, затраченных на изготовление хоро­шей «домашней» АС, будет несоизмеримо меньше стоимости АС, которую бы Вы приобрели, будь такая возможность. Зна­чит, вкладывать в конструкцию свои знания, что называется «для себя» - очень выгодно.

Последнее. При покупке фирменной АС никто, кроме про­изводителя, не даст Вам рекомендаций по ее размещению и правильной «настройке» под конкретную обстановку. Этой информации ни у продавцов, ни в Интернете нет - только субъективные мнения «экспертов» из тех же магазинов. За исключением некоторых моделей АС, к которым приложены распечатки измеренных АЧХ и коэффициента гармоник в ра­бочей полосе частот - практически любую фирменную акустику мы вынуждены покупать по принципу «кота в мешке».

Начинаем с выбора динамических головок. Это определит тип АС, а именно, двухполосную или трехполосную конст­рукцию. По опыту скажу, что построить в домашних условиях трехполосную АС очень сложно. Затраты на исследования и эксперименты возрастают в два раза по сравнению с двухполосной АС. Попытайтесь подобрать динамические головки для двухполосной АС из расчета их акустических мощностей (но­минальная мощность с учетом чувствительности) НЧ-СЧ к СЧ-ВЧ как 1,5...3,0 к 1,0. Перекрытие частотных диапазонов голо­вок должно составлять не менее 2 октав (4 раза), иначе не удастся обеспечить точное согласование и плавность перехо­дов фазо-частотных характеристик головок в области частоты раздела фильтров. Разделительные фильтры желательно применять 2-го порядка для НЧ и третьего для ВЧ головок. Эти, казалось бы, тривиальные требования на самом деле выпол­нить сложно, но проще, чем сделать то же самое для трехполосной АС.

Следующий параметр, который влияет на подбор пары головок - диаметры их диффузоров. Известно, что чем больше эффективный диаметр излучателя (Dэфф.=Dг/sqrt(2), Dг-диаметр диффузора, измеренный по центру гофра), тем уже диаграм­ма направленности головки на верхней рабочей частоте. Известа формула, связывающая угол направленности излучения динамической головки с длиной излучаемой волны (l) и эффективным диаметром диффузора Dэфф. Излучение впе­ред в полупространство (п) обеспечивается при выполнении условия пи*Dэфф.Д=0,25 [1,6]. На высоких частотах диаграмма излучения еще больше сужается. Например, для НЧ голов­ки типа 6ГД-2 (Dэфф.=13 см) на частоте 7 кГц (предельной для головок этого типа, замеренной по оси излучения) диаграмма излучения имеет угол раскрытия порядка тс/24 по уровню -3 дБ. Такая направленность излучения для использования в жилом помещении неприменима (кроме Вас, сидящего в центре зоны прослушивания, никто ничего не услышит). Это обуславливает выбор частоты раздела полос НЧ-ВЧ для данной головки в районе 1500...2000 Гц, при этом обеспечивается угол раскрытия диаграммы излучения порядка тс/6.

При использовании НЧ головки с меньшим диаметром диф­фузора допустимая частота раздела полос может быть про­порционально повышена. Рассуждая аналогичным образом, выбор ВЧ головки следует сделать в пользу конструкций с ма­лым диаметром излучающей поверхности (6ГДВ-1, 6ГДВ-6, 10ГДВ-2 и др.). Также рекомендуется произвести доработку выбранных динамических головок с целью снижения призву­ков и паразитных резонансов диффузоров по методикам, нео­днократно приводимым в литературе [2]. Единственное, что не целесообразно, на мой взгляд, делать - это всеми путями снижать собственную добротность НЧ го­ловки. Конструктивные параметры выбранной головки гораз­до выгоднее измерить и учесть при расчете акустического оформления, выходных параметров усилителя мощности (УМ) и электрической схемы фильтров. В противном случае снижа­ется КПД головки на низких частотах, что еще больше услож­нит задачу согласования с ВЧ головкой для получения равно­мерной АЧХ акустической системы.

Применение способов сниже­ния собственной добротности низкочастотной головки имеет еще один существенный недостаток. Искажения фазы излуче­ния акустической системы, в которой установлена задемпфированная головка, на низких частотах имеет большую величину, нежели при ис­пользовании незадемпфированной головки и специальных цепей коррекции. Например, акустическая система на 6ГД-2, Qts=0,37 (задемп-фирована панелью акустического сопротивления) имеет ров­ную АЧХ, но сдвиг фазы на частоте 50 Гц - +пи/2, в то время как при Qts=0,71 (без ПАС) с коррекцией АЧХ в УМ - сдвиг фазы на той же частоте составляет всего +пи/6, т.е. в 3 раза меньше. Следующий шаг - выбор акустического оформления. Для упрощения настройки разделительных фильтров АС и обес­печения большей свободы при размещении систем в комна­те, рекомендуется выбрать конструкцию с отдельными корпу­сами для каждой из головок. Это позволяет перемещать ВЧ излучатель относительно НЧ по глубине для настройки фазы излучения в области частоты раздела фильтров, а в случае установки ВЧ головки в шарообразном корпусе на кольцевой подставке - направить акустическую ось ВЧ головки прямо на слушателя при любой ориентации корпуса низкочастотного звена. Сколько существует конструкций корпусов для одних и тех же НЧ головок. Казалось бы, все они рассчитаны по одним и тем же известным методикам, но как различны и по объему и по типам. Измерив параметры 7 головок 6ГД-2 различных лет выпуска, действительно поражаешся результатам. Значения резонансной частоты головок Fр находятся в пределах 31...55 Гц, эквивалентной добротности Qts - 0,62...1,38, эквивалент­ного объема Vаs - от 65 до 380 литров!

Можно для экземпляра головки с эквивалентным объемом 65 литров и добротностью 0,62 рассчитать оформление с приемлемыми для жилой ком­наты размерами, но для случая 300 литров и Qts=0,93 - вряд ли вас поймут семья и родные. В отношении компрессионных головок от 20ГДН-1 до 75ГДН-1 разброс параметров оказался меньше, но их значения сильно отличались от данных, приво­димых в технических паспортах. Приемлемым для домашней конструкции АС (с точки зре­ния толщины используемых материалов стенок корпуса, веса и размеров готовой АС, удобства размещения ее в комнате) является корпус объемом 30-45 литров. Причем корпус объе­мом 30-35 литров целесообразно выполнить с соблюдением внутренних размеров в пропорции «золотого сечения». Корпуса больших объемов целесообразно выполнить в виде на­польной конструкции с обязательной сшивкой противополож­ных боковых панелей распорками. Толщина материала корпу­са 16-25 мм с обязательным оклеиванием внутренней поверх­ности линолеумом и поролоновыми ковриками толщиной 15-30 мм или самодельными матами (вата+марля) толщиной 20-30 мм. НЧ головку размещают у верхнего края узкой боковой панели, которая будет являться передней. Нет никаких сомнений, что в большинстве случаев закрытая АС такого объема с установленной имеющейся в распоряже­нии низкочастотной головкой будет иметь результирующую добротность больше единицы, т.е. на АЧХ в районе резонанс­ной частоты будет наблюдаться «горб» +2...+6 дБ. Более того, нижняя граница воспроизводимых частот такой АС составит 75-100 Гц, что явно недостаточно.

Тем не менее, эти виды искажений АЧХ АС прекрасно моделируются математически [3] и могут быть предопределены выбором динамической го­ловки, легко измерены и минимизированы активными фильт­рами, включаемыми перед УМ или иным способом. О выборе типа корпуса. Да, закрытая акустическая система проще в изготов­лении, но позволяет использовать потенциал динамической головки в области НЧ только на 25-40% независимо от соб­ственной резонансной частоты головки! Причина этого кроет­ся в невозможности динамической головки развить требуемый уровень акустической мощности в области резонансной час­тоты из-за конструкционных ограничений хода диффузора и, как следствие, появления больших нелинейных и интермоду­ляционных искажений. При уменьшении частоты воспроизво­димого сигнала ниже 50-80 Гц большинство низкочастотных головок в закрытых акустических системах объемом 30-45 литров физически не могут обеспечить уровень акустического давления на уровне, создаваемого этой же головкой при номинальной подводимой электрической мощности на частотах 300-2000 Гц.

Спад мак­симальной акустической мощности (не путать с АЧХ) при умень­шении частоты ниже резонансной (Fs - резонансная частота головки в объеме корпуса акустической системы) почти линейный с наклоном 24 дБ на октаву. Предлагаю Вам пересчитать максимальный уро­вень акустической мощности закрытой акустической системы на частоте 30 Гц при Fs равной 60 Гц - получим аналог ... менее 1 Вт для 100-ваттной головки! Поэтому единственной приемлемой для со­здания «домашней» малолитражной акустической системы является конструкция с применением фазоинвертора (ФИ). На частотах воспроизводимого сигнала вблизи частоты на­стройки ФИ Fф амплитуда колебаний диффузора резко сни­жается. В результате этого уменьшаются нелинейные и интер­модуляционные искажения, обусловленные конструкцией под­веса диффузора, граничными размерами магнитной системы и звуковой катушки. Однако, нелинейные искажения, вызван­ные недостаточной жесткостью диффузора, наоборот - увели­чиваются.

Все это говорит в пользу применения т.н. компрес­сионных головок. При корректной конструкции акустической системы амплитуда колебаний подвижной системы головки на частоте настройки ФИ может быть в 25-30 раз меньше, чем на той же частоте в закрытом корпусе. Это значит, что на низких частотах акустической системы с фазоинвертор имеет гораздо больший динамический диапазон, нежели акустическая систма закрытой конструкции при сравнимых нелинейных и интер­модуляционных искажениях. Самое интересное заключается в выборе частоты настрой­ки фазоинвертора Fф. Классический способ настройки Fф на резонансную частоту головки в свободном пространстве в по­давляющем большинстве случаев оправдан. При этом дости­гается компромисс между равномерностью АЧХ и максималь­но возможной акустической мощностью АС на частотах близ­ких к резонансной (но не ниже Fф). Эквивалентная доброт­ность НЧ головки Qts для этого случая должна находиться в пределах 0,35...0,55. В случае использования в малогабаритной АС низкочастот­ных головок с высокой добротностью 0.15=0,65...1,5 - вообще сложно или невозможно получить ровную АЧХ в корпусе лю­бого объема. Поэтому целесообразно произвести настройку Fф на частоту в 2...3 раза (точнее - см. дальше) ниже резонан­сной частоты головки Fр. В то же время, АЧХ АС выше частоты Fф будет практически повторять АЧХ закрытой акустической системы такого же объема.