Закрытый ящик: полвека истории и большое будущее

За один рабочий день, если взяться, можно найти с полсотни источников, от умных книжек до невнятного бормотания в Интернете, где будет сказано теми или иными словами: простейшее акустическое оформление динамического громкоговорителя — закрытый ящик. Наверное, уже понятно: я с этим согласиться не могу.

Давно не встречались (в этой рубрике), давно я вас ничем не удивлял. Вот прямо сейчас и начну. Считайте: Закрытый ящик как способ акустического оформления громкоговорителя — предмет изобретения. У которого есть автор, номер патента и прочие американские пироги.

Заявка на этот патент была подана в марте 1954 года, а удовлетворена — в декабре 1956-го, так что сейчас, можно считать, полу­вековой юбилей в самом разгаре. Патент, выданный в 1956 году, спустя шесть лет был оспорен в суде и аннулирован.

Хотя к этому времени автор изобретения продал двум компаниям лицензии на использование плодов своего интеллектуального эксцесса и на полагающиеся выплаты жил припеваючи. Несмотря на судебную коллизию, образец первого серийного громкоговорителя в акустическом оформлении типа «закрытый ящик» стал экспонатом крупнейшего политехнического музея мира.

Интеллектуальные эксцессы, направленные на усовершенствование(!) закрытого(Н) ящика(!!!), не только не прекра­щались на протяжении упомянутого полувека, они продолжаются до сих пор. Если для вас перечисленное ассоциируется с «простей­шим» — мы вкладываем в это слово разный смысл. Теперь — по порядку.

Жить стало лучше

Имя изобретателя закрытого ящика — Эдгар Вильчур. У нас граждане с такой фамилией тоже живут, по большей части юристы и медики. Американский Вильчур до войны окончил колледж по линии изобразительных искусств, повоевал на Тихом океане, демобилизовался в чине капитана, поселился в Нью-Йорке и открыл там радиомастерскую.

Чтобы соответствовать, дипломированный художник Вильчур затруднился получением ещё одного высшего образования, на этот раз — технического, что его в итоге и прославило. Война закончилась, жить в Америке стало лучше, жить в Америке стало веселее, спрос на аудиотехнику (в тогдашнем представлении о ней) и её обслуживание рос не по дням, а по часам. Вот тогда-то капитан запаса Вильчур и сделал одно из двух своих великих изобретений.

Вторым в 1958 году стала купольная пищалка. Сегодня это не в тему, но не снять шляпу перед этим человеком может только не имеющий сердца. Отсутствие шляпы как оправдание не принимается.

Логично спросить: а что, до середины 50-х годов ни один динамик не оказывался вставленным в ящик с замкнутым объёмом? Оказывался, но как бы иначе. Взгляните, как развивалось акустическое оформление громкоговорителей до Вильчура. Динамик (собственно головка) не может воспроизводить низкие частоты, потому что происходит акустическое короткое замыкание: вместо того, чтобы создавать волну давления перед диффузором, динамик перекачивает воздух от передней стороны диффузора к задней, движущейся в противоположную сторону.

Чтобы этого не происходило, динамики стали ставить в акустический экран. Скорость распространения волны давления (она же — скорость звука) в воздухе конечна и известна. Пока волна давления не обежит акустический экран и не даст себя погасить противофазной волной тыльной части диффузора, динамик не будет излучать звук как положено.

Когда расстояние от передней части диффузора до задней по кратчайшему пути (через край экрана) сравняется с длиной полуволны на этой частоте, интенсивность излученияначнёт падать. Теперь прикиньте цену вопроса: при экране метр на метр расстояние от передней стороны диффузора до задней (с поворотом через край экрана) будет тот же метр, а это — полволны на частоте 67 Гц.

Громкоговоритель AR-3, воплотивший оба изобретения Вильчура, акустический подвес и купольную пищалку, составляет часть экспозиции Смитсонианского Института в США.

Довольно быстро сообразили, что экран может быть и неплоским, и завернули его в эдакий полуящик. Так, собственно, и были многие годы устроены акустические системы радиоприёмников и радиол середины прошлого века. Элементарная бытовая логика подсказала: а что если «приделать дно закромам Родины»?

Закрыть ящик сзади, закрыв и вопрос об акустическом замыкании. Заманчиво? Да, но тут же открылся другой вопрос. Если при открытом ящике диффузор гонял воздух туда-сюда практически беспрепятственно, то замкнутый объём стал сопротивляться, обладая упругостью.

Резонансная частота динамика, на которую никак не влияла его установка в экран или в «полуящик», тут же подскочила: упругость воздушного объёма была эквивалентна увеличению жёсткости подвеса. Ящики приходилось делать настолько большими, чтобы упругость воздуха внутри оказывалась намного ниже упругости собственно подвеса головки. Итог: зародившееся в Америке в начале 50-х движение за высокую верность звуковоспроизведения, и поныне известное как Hi-Fi, породило и чудовищного размера звуковые колонки.

Cобственно, то, что предложил Вильчур, называлось и до сих пор иногда называется acoustic suspension — акустический подвес. Многие из тех, кто интересовался вопросом, искренне считают, что это было придумано с целью уменьшить габариты громкоговорителей. Так на самом деле и произошло, но это было не основной, а побочной целью Вильчура.

Около года назад, в контексте продолжающегося юбилея, Вильчур давал интервью журналу «Stereophile», где толково объяснил, что привело его к идее закрытого ящика. Его целью было снижение нелинейных искажений, вносимых акустическими системами. В 50-е годы можно было запросто купить усилитель (ламповый, жили же люди!) с нелинейными искажениями меньше 0,5% при мощности чуть ли не 50 Вт.

Однако присоединенный к такому усилителю громкоговоритель тут же повышал суммарный коэффициент гармоник как минимум в двадцать раз. Вильчур задал себе вопрос: почему? И ответил: из-за нелинейности подвеса.

В те годы подвес диффузора динамика классической уже тогда конструкции состоял из жёсткой центрирующей шайбы, часто сделанной из гетинакса в форме эдакого паука (откуда и сохранившееся в англоязычной литературе слово spider применительно к этому элементу конструкции динамика) и гофра, который тогда был действительно гофром — волнистой частью диффузора, обеспечивавшей ему возможность перемещаться вдоль оси магнитной системы. Всё вместе это образует пружину, вместе с массой диффузора и звуковой катушки создающую колебательную систему.

Популярное объяснение принципа акустического подвеса в одной из статей Вильчура

Всякая рукотворная пружина не идеальна. Её реакция на сжатие или растяжение не вполне линейна, она может быть сжатой до упора (эффект насыщения), её параметры зависят от времени и множества иных факторов. Но ведь есть же идеальная пружина, это — упругость воздушного объёма.

Воздух не устаёт, не изнашивается, воздушная пружина всегда линейна. Или намного более линейна, чем любая другая. И тогда Вильчур решил сделать динамик с воздушной пружиной, что обещало намного большую линейность подвеса.

Само по себе прозрение Вильчура удивляет очевидностью (глядя из нового века, задним умом-то кто не крепок). Существовало (и до Вильчура, только он всё очень чётко сформулировал) понятие «оптимальной резонансной частоты». Оно означало следующее: у динамика с более или менее ровной АЧХ с понижением частоты вплоть до резонансной амплитуда диффузора растёт обратно пропорционально квадрату частоты. То есть: от 100 до 50 Гц амплитуда возрастает вчетверо, а звуковое давление остаётся неизменным (в идеальном случае). Ниже резонансной частоты амплитуда расти перестаёт, а создаваемое звуковое давление падает со скоростью 12 дБ/окт.

Значение частоты, ниже которой останавливается рост амплитуды (а это резонансная частота), должно быть увязано с возможностями динамика. Ну, например: если бы у 6-дюймовой головки тех времён, с весьма ограниченным ходом диффузора, сделать резонансную частоту 50 Гц, то при приемлемой громкости звучания задолго до достижения этой частоты амплитуда превысит возможности подвеса, всё захрипит, привет семье. Если же взять динамик большего диаметра, ему для создания того же звукового давления амплитуда потребуется меньшая, поэтому ему можно позволить играть ниже.

«Не забуду тот матрас...»

Все предшествующие конструкторы акустики выбирали частоту резонанса динамика оптимальным образом, а потом устраивали ему такое оформление, чтобы её не испортить. Эдгар Вильчур пошёл другим путём. Он предложил заранее сделать резонансную частоту головки намного ниже оптимальной, резко увеличив гибкость подвеса.

А потом посадить динамик в ящик небольшого объёма, так, чтобы упругость воздушного объёма внутри и стала основной в системе «динамик — ящик». Заменив, по существу, пружину в виде гофра и центрирующей шайбы не подверженной усталости и совершенно линейной пружиной в виде воздушного объёма, Вильчур рассчитывал в первую очередь добиться радикального снижения нелинейных искажений. И добился, отметим это.

Для проверки своей идеи Вильчур собственными руками изуродовал вполне исправный 12-дюймовый динамик Western Electric. Пока он был исправен, имел вполне традиционную для басовых динамиков того времени резонансную частоту 50 Гц. Для того чтобы динамик нормально играл, ему требовался объём около 300 л. Вильчур удалил гофр, заменив его кольцом, выдранным из обивки матраса (тоже, вероятно, до тех пор исправного), и вырезал большую часть центрирующей шайбы.

Получившееся после высыхания клея чудо техники обладало резонансной частотой 12 Гц, жёсткости подвеса едва хватало на то, чтобы удержать звуковую катушку в зазоре. На резонансную частоту 50 Гц осквернённый Western Electric вышел в объёме 60 л. При этом, как посчитал Вильчур, только 6% упругости системы порождалось остатками подвеса, остальные 94% приходились на упругость воздушного объёма. Нелинейные искажения на низких частотах снизились в разы. То, что при этом в разы уменьшились габариты акустической системы, Вильчур, как истинный маньяк высококачественного звуковоспроизведения, поначалу и не заметил. Хотя именно это принесло ему и деньги, и неприятности.

Отсудивший у Вильчура права на его изобретение Гари Олсон придумал совсем иное: двухэтажный подвес диффузора, позволивший снизить жёсткость подвеса. Не обнаружив вовремя чужого патента и не сумев его юридически обойти, Вильчур лишился своего. Заметим, однако: вот таких динамиков не сделано ни одного, а изобретение Вильчура растиражировано в миллионах экземпляров

Патент. Суд. Сиби... Нет, без сибири...

Всякую идею в Америке полагается патентовать и продавать. Вильчур подал заявку и через положенное время патент получил. Редчайший для США случай: в низу первой страницы документа стоит подпись только автора изобретения, а не автора и юрисконсульта как обычно.

Вильчур обратился к юристу, узнав вначале, сколько стоят услуга по составлению грамотной заявки. Оказалось — 30 долларов в час. Для капитана запаса это были деньги, и он ограничился ровно одним часом консультации, решив остальное сделать самостоятельно. За что потом и поплатился куда большими суммами.

Но это было потом. А пока своё изо бретение Эдгар Вильчур стал предлагать производителям акустики. Реакцш специалистов была примерно такой «Если бы это могло работать, наши инженеры это давно бы придумали. Спасибо, что зашли». Адекватно прореагировал только один человек, слушавший в то время лекции Вильчура по акустике в университете.

Звали студента Генри Клосс. С ним вскоре Вильчур основал фирму Acoustic Research, которая в нашем сознании прочно связана с другим именем — Роя Аллисона, отчасти, может быть, потому, что инициалы схожи. Но Аллисон купил AR потом, когда фирма уже прочно стояла на ногах.

Именно Генри Клосс ответственен за успех первой серийной модели колонок с акустическим подвесом AR-1, открывших целое направление в индустрии акустики — полочных систем. До этого сама мысль, что колонка может стоять не на полу, воспринималась как абсурд.

Экземпляр такой колонки (модели AR-3) находится на вечной экспозиции в зале Смитсонианского Института в США.

Рядом с громкоговорителем-фазоинвертором и катушечным магнитофоном Telefunken. В соседнем зале — самолёт братьев Райт (оригинал).

А дальше всё пошло, как в фильме про американскую мечту. Генри Клосс, одна из легенд электроакустического бизнеса, вскоре вышел на собственную тропу, основав компанию KLH (слыхали, наверное), позлее — Advent (тем более слыхали), а в последние годы жизни — Tivoli Audio (если не слыхали, могу показать: у меня есть приёмник Tivoli Model One, сзади так и написано: «By Henry Kloss»). Лицензия на производство акустических систем по патенту Вильчура была, естественно, у его собственной компании, Acoustic Research, она же была выдана KLH на льготных условиях и Heathkit по полному доллару.

И тут, как в кино про американскую мечту, грянул гром. Гари Олсон. Тоже легенда, они там все такие собрались. Глава отдела акустических разработок RCA, герой невидимого фронта, которому его родина обязана своей гидроакустикой во время Второй мировой, подал иск в неподкупный американский суд, требуя аннулировать патент Вильчура. Основание: существенные признаки изобретения совпадают с теми, которые Олсон защитил патентом в 1949 году.

Внимательное изучение документов показывает: патриарх имел в виду совершенно иное, но по крючкотворским правилам получалось, что патент Вильчура должен быть аннулирован. Проигравший в этом процессе спустя годы признавался: будь заявка составлена с профессиональной помощью, этого бы не произошло.

Но произошло, спустя всего шесть лет после выдачи на руки исторического документа. Хорошо хоть, что электронные архивы не горят...

Вильчуры — народ крепкий. Не ввязываясь в дальнейшее сутяжничество, Эдгар спокойно принял поджопник от американской патентной Фемиды, продал Acoustic Research Рою Аллисону и занялся другими делами. Кстати, имея патент на купольную пищалку, предоставил возможность пользоваться им кому заблагорассудится.

Назад в настоящее

Позвольте, спросит иной, надеюсь, немногочисленный читатель, что нам с того, кто какой матрас резал и кто с кем судился? В чём пафос изобретённого? А вот в чём: до Эдгара Вильчура громкоговоритель считался законченным изделием, которое надо было куда-то привинтить, чтобы не падал.

Вильчур взглянул на громкоговоритель по-другому, как на компонент, полуфабрикат акустической системы. Он впервые отважился изготовить динамик, который сам по себе не играл, требуя недостающего компонента акустической системы — закрытого ящика с определёнными свойствами (читай — объёмом).

Представьте себе (трудно, но постарайтесь), что автомобиль появился на полвека раньше поезда. Все привыкли: вот машина, ездит, куда рулишь, разве что камни с дороги убрать.

И вдруг приходит бесноватый изобретатель и предлагает автомобиль с железными колёсами, который просто так ездить не может, надо проложить две длинные железяки, по ним поедет — будь здоров. Куда бы его послали? Далеко и на резиновом ходу, без всяких железяк.

Для нас на практике это означает нечто неожиданное. На первый взгляд. Закрытый ящик, по существу, никаким акустическим оформлением не является. Это просто средство управления параметрами громкоговорителя. Никаких процессов, которых не было бы у «голого» динамика, закрытый ящик не порождает. Динамик в области низких частот — система с одной степенью свободы. У него есть масса колеблющихся частей, упругость и вязкое сопротивление, возникающее при колебаниях. Всё.

Славный путь закрытого ящика

От голого динамика (1) к акустическому экрану (2), который для удобства превратили в короб (3). Стремясь окончательно избавиться от акустического замыкания, коробу приделали дно (4). Но при этом стала мешать жёсткость воздуха внутри получившегося ящика. Его пришлось делать или большим, или очень большим (5). Тогда пришёл Вильчур и сделал так, чтобы жёсткость воздушного объёма не мешала, а работала на полной ставке (6).

Следующий шаг — добавление в воздушный объём материалов, изменяющих свойства среды внутри ящика (7). Эти изменения приводят к не совсем тривиальным акустическим результатам, резонансная частота и добротность ведут себя по-разному. И наконец: если теперь убрать дно у ящика с поглощающим материалом, мы получим оформление, называемое апериодической нагрузкой, меняющей только добротность акустики, а не её резонансную частоту. Смотрите: круг замкнулся.

Внешне эти три характеристики выражаются в том, что у динамика есть свойственная ему резонансная частота (определяемая массой и упругостью) и добротность (на которую решающим образом влияет вязкое сопротивление — механическое и электрическое). Когда мы сажаем динамик в исторически первое акустическое оформление, экран, он об этом вообще может не узнать. Мы слышим, что низкие частоты стали слышны, а динамик работает точно так же, не подозревая, что уже приносит пользу.

Замкнём экран, сделав ящик очень большого объёма. Динамик по-прежнему ни о чём не догадывается. Начинаем уменьшать ящик, в какой-то момент динамик почувствует: помимо собственной упругости, ему приходится сжимать-растягивать ещё одну пружину, образованную закрытым воздушным объёмом.

Из трёх механических параметров динамика изменится лишь один — общая упругость подвеса, складывающаяся из собственной (гофр и центрирующая шайба) и упругости воздуха «за спиной». С точки зрения результирующего значения резонансной частоты (и добротности), никакой разницы нет.

Можно динамик с жёстким подвесом поместить в большой объём, обладающий очень малой жёсткостью, или динамик с мягким подвесом пристроить в малый объём, имеющий большую жёсткость. Результат с точки зрения частоты резонанса будет один и тот же. Что (возвращаясь на секунду в прошлое) с помощью ножниц и матраса было продемонстрировано полвека назад. Разница, однако, в том, что воздушная пружина гораздо лучше резиновой, она более линейна.

И с этой позиции, чем более мягкий динамик мы берём изначально, тем лучше он будет работать в закрытом ящике, когда мы его выведем на требуемое значение резонансной частоты.

Так это было изначально задумано. Во многом так это осталось в домашней акустике. Увы, надо констатировать, что автомобильные сабвуферные головки ушли от истоков довольно далеко. Мы часто в ходе тестов подразделяем сабвуферы на «тонкие» и «толстые». Первые, с лёгкой подвижкой и мягким подвесом, близки к классическим головкам для акустического подвеса. Будучи помещены в ящик оптимального объёма, они в значительной мере опираются на воздух в ящике, а не на собственную упругость.

И, как показывает статистика тестов, у таких головок при средних уровнях звукового давления нелинейные искажения оказываются ниже, чем у «толстых». У этих в погоне за максимальным звуковым давлением (а значит, за максимальным ходом диффузора) подвижная система становится мощной, как следствие, тяжёлой, а подвес, который в состоянии её удержать «в рамках» — жёстким.

Помещая такую головку в закрытый ящик, вы получаете как бы «полуакустический» подвес, значительную часть суммарной жёсткости которого динамик «несёт с собой». Нелинейные искажения при одном и том же звуковом давлении у такого динамика будут выше, но выше будет и достижимый предел звукового давления, «толстый» станет басить грубоватым голосом на такой громкости, на которой музыкальный «тонкий» уже исчерпает возможности подвеса и застучит катушкой.

При прочих равных. Так что правота «закрывателя ящика» доказана практикой. Воздушная пружина лучше резиновой. А кстати, почему воздушная?

Природа терпит пустоту, но недолго

Действительно, а что иное может оказаться в ящике низкочастотного громкоговорителя, кроме воздуха? Практика показывает, что туда довольно часто помещают всякие рыхлые и мягкие материалы, называя их «звукопоглощающими». Зачем?

Принято думать, что добавление в воздушный объём закрытого ящика волокнистых материалов, например ваты (простой, синтетической, стеклянной или минеральной), меняет его характеристики таким образом, который обычно характеризуется формулой «ящик становится как бы больше». Это, знаете ли, метафизика, что значит «как будто больше», если мы договорились: характеристики динамика и ящика образуют единую колебательную систему, у которой только три параметра: масса колеблющихся частей, жёсткость их подвеса и вязкое сопротивление колебанию?

Многократно повторенный практический опыт, тем не менее, свидетельствует: если заполнить объём ящика, скажем, ватой или более практичным в обращении синтепоном, меняется звучание сабвуфера, а если дать труд измерить его характеристики, становится очевидно: меняются резонансная частота и добротность. Причём действительно так, как если бы ящик вдруг стал больше, то есть — в сторону понижения.

Давайте разберёмся, почему. Что может изменить банальная вата в характеристиках колебательной системы? Массу подвижных частей? Никоим образом, диффузор и звуковая катушка весят столько, сколько они весят, если есть лишние деньги, можно отрезать их от подвеса, положить на весы, а потом заполнить ватой хоть всю комнату, показания весов, как вы понимаете, не изменятся. Вязкое сопротивление?

Можно, в принципе, такое допустить, но если бы дело было только в этом, изменялась бы добротность, но не резонансная частота, а она очевидным (вернее — измеряемым) образом снижается. Значит, остаётся упругость воздушного объёма.

Как влияет волокнистый материал на упругость воздуха? За счёт изменения теплоёмкости среды. Представьте себе динамик в герметичном (а другой случай мы не рассматриваем) закрытом ящике. Когда диффузор движется назад, внутрь ящика, он сжимает находящийся там воздух, уменьшая его объём и, как следствие, повышая давление внутри.

Именно в повышении давления при одном направлении движения диффузора и, наоборот, появлении разрежения при противоположном и заключается упругая реакция воздушного объёма. Предположим: диффузор площадью 100 кв. см колеблется с амплитудой 1 мм в каждую сторону. Если динамик привинчен к ящику объёмом 10 л, каждое колебание, легко прикинуть, приведёт к изменению объёма внутри ящика на 10 куб. см. Одну сотую литра. Одну тысячную от первоначального объёма. Всего лишь.

Настолько же повысится давление внутри, на одну тысячную атмосферы. Через долю секунды (одну двухсотую, если диффузор колеблется на частоте 100 Гц) диффузор пойдёт вперёд, и внутри ящика возникнет разрежение в ту же одну тысячную атмосферы. И вот такое, на первый взгляд ничтожное, изменение давления образует упругую силу, сопоставимую, а часто и превышающую собственную упругость подвеса динамика.

Впрочем, едва ли приведенные величины покажутся вам смехотворными, если посчитать: такие же периодические изменения давления в салоне машины соответствуют звуковому давлению около 150 дБ. Звук по определению — слабые возмущения, здесь шкала ценностей специфическая, не та, что у погружного насоса.

Теперь смотрите: если объём ящика будет вдвое меньше, то такое же смещение диффузора вызовет изменение объёма уже не в одну тысячную от первоначального, а вдвое больше. Вдвое больше будет и изменение давления, удвоенная сила станет возвращать диффузор на место при каждом ходе, и это означает, что наша воздушная пружина стала вдвое более жёсткой.

А теперь представьте себе, что диффузор и ящик — это поршень и цилиндр, аналогия более чем уместная, в области низких частот диффузор работает в так называемом поршневом режиме, двигаясь как одно абсолютно жёсткое целое. Что произойдёт, если, двигаясь внутрь цилиндра, поршень уменьшит его объём не на одну тысячную, а в десять раз? То, что происходит на каждом цикле сжатия в моторе. Давление увеличится не в десять раз, а больше, потому что воздух от сжатия нагреется. В дизеле от одного сжатия воздух нагревается, как известно, настолько, что в нём солярка вспыхивает.

Происходит ли то же самое при мизерных (казалось бы) изменениях объёма внутри ящика, когда поршнем работает диффузор? А как же, законы природы неумолимы. Ровно в такт с пульсациями давления внутри ящика происходят и пульсации температуры. На сотые или тысячные доли градуса, но это неважно, давление тоже пульсирует на гроши, а диффузор этому беспрекословно повинуется.

Значит, когда объём изменяется на одну тысячную, но при этом воздух чуть нагрелся, давление возрастёт уже, скажем, на полторы тысячные, сила, действующая на диффузор, окажется больше, что означает только то, что может означать: воздушная пружина жёстче, чем мы ожидали. Всё это прикидывается и считается по уравнению газового состояния, и всё это заложено в известные формулы и программы для расчёта сабвуферов в виде удельной жёсткости воздуха.

Причём заметьте: система линейна, значит, всё, что происходит внутри ящика, будет происходить, по сути, одинаково, как бы ни была мала амплитуда колебаний диффузора. Здесь ведь важны не абсолютные величины, а отношение микроскопических изменений объёма к микроскопических изменениям давления и температуры, причём обратимым образом: ровно настолько, насколько воздух нагрелся при движении диффузора внутрь, он остынет при обратном ходе в нейтрали, а потом настолько же охладится при возникновении разрежения в ящике.

И будет это происходить столько раз в секунду, сколько герц в подведенном к динамику сигнале.

Здесь следует упомянуть об одном недоразумении, порой овладевающем пытливыми умами. Периодические микроизменения температуры в ящике путают с постоянным тепловыделением звуковой катушки, которое здесь совершенно ни при чём. Уравнение, повторю, газового состояния требует, чтобы при любом изменении давления газа менялась и его температура. Это, в соответствующей пропорции, происходит и перед нашей головой, когда мы говорим по телефону.

И то, что это нельзя измерить градусником из аптеки, так же закономерно, как и то, что колебания давления при звуке даже убийственной громкости нельзя зафиксировать сантехническим манометром. Так что давайте оставим ползучий сенсуализм, дескать, что я не ощущаю, то разуму не подвластно. Де-ни Дидро в электроакустике — никакой не авторитет.

казанное про микропульсации температуры справедливо в предположении, что тепло от находящегося в ящике воздуха не успевает уйти во время сжатия (и нагрева), как и вернуться во время разрежения (и охлаждения). А это действительно так, потому что — не успевает, сколько раз в секунду, прикиньте. Всё тепло болтается внутри.

А если исхитриться его как-то по-быстрому отводить при нагреве, а потом возвращать при охлаждении? Тогда «эффект дизеля» ослабеет, колебания давления при тех же изменениях объёма станут меньше, значит, упругая сила, действующая на диффузор, тоже уменьшится, что будет означать уменьшение жёсткости воздушного объёма.

Если поместить внутрь ящика что-нибудь такое, что даже за миллисекунды успевало бы при повышении температуры забрать часть тепла на себя, а при понижении — отдать обратно, это было бы эквивалентно повышению теплоёмкости среды и уменьшению колебаний давления при тех же пульсациях объёма.

Что может сыграть такую роль? У любого твёрдого вещества она намного выше, чем у воздуха, надо только обеспечить максимальную площадь теплообмена, а именно у волокнистых материалов наибольшее отношение поверхности к объёму.

Любопытно заметить: возможность влиять на свойства среды внутри закрытого ящика была упомянута тем же человеком, который предложил саму идею, и в том же документе. Вильчур собирательно назвал материал, заполняющий ящик, стекловолокном, а объяснение его действия сформулировал несколько по-другому. Если вкратце: упругость объёма зависит от скорости звука в среде, а в присутствии волокнистого заполнителя она снижается.

Иное ли это объяснение происходящего? Да вовсе нет. Скорость звука в среде — её термодинамическая характеристика, и теплоёмкость закопана внутри, можно выкопать, если помудрить с уравнениями, чему здесь и сейчас никак не место*.

*По стечению обстоятельств именно задаче повышения упругости среды в замкнутом объёме, где происходили пульсации давления, была двадцать лет назад посвящена одна из глав кандидатской диссертации автора этих заметок. Причём среда — не воздух, а смесь воздуха и воды, поскольку заинтересованной стороной был советский военно-морской флот. Тогда с помощью некоторых хитростей удалось снизить скорость звука в среде до 25 — 30 м/с, что сделало её на порядки более податливой, и пульсации давления снизились драматически на радость краснофлотцам.

Изобретение Эдгара Вильчура, при всей кажущейся простоте, открыло целое направление в конструировании акустики, расширив ровно вдвое область приложения пытливой мысли. Если раньше считалось, что характеристики акустики зависят от динамика, а остальное — почти декор, то с изобретением акустического подвеса объём закрытого ящика стал полноправной частью акустической системы. И если прежде пытались усовершенствовать только сам динамик, то потом стали пытаться усовершенствовать и... воздух внутри ящика.

Заполнение стекловолокном (или чем-либо похожим) — только первый шаг на этом пути. Предлагались самые разные способы повлиять на свойства среды внутри закрытого ящика, в основном — с целью снижения жёсткости при заданном объёме, что сулило возможность уменьшения габаритов ящика при заданных параметрах.

Для примера приведу всего лишь одно предложение, автора которого в нашем мире хорошо знают — Юджин Червинский, чьим именем названа торговая марка Cerwin-Vega! (восклицательный знак, как вам должно быть известно — неотъемлемая часть зарегистрированной марки). Пан Червинский додумался до того, чтобы внутрь ящика поместить мягкий, но газонепроницаемый мешок, внутри которого будет газ со свойствами иными, нежели у воздуха, а конкретно — с гораздо большей теплоёмкостью, чего ранее добивались путём добавления разных заполнителей.

Он даже предусмотрел возможность использования паров жидкости на пороге насыщения, тогда вместо повышения давления в ящике в такт движению диффузора происходили бы циклы испарение-конденсация, а пульсации давления почти отсутствовали. Случись этому изобретению быть реализованным, нам пришлось бы перед тем, как слушать музыку, включать на некоторое время спирали подогрева рабочей жидкости в колонках. Тут опять просится аналогия с дизелем и его свечами накаливания. Слава богу, патент остался лежать под сукном.

Природа не терпит простоты

Простейшее, как считается, акустическое оформление, которое на самом деле — способ управления параметрами громкоговорителя, уже начинает показывать свой нрав. Но это — не конец. На самом деле, что мы потрудились подтвердить экспериментально, закрытый ящик и закрытый ящик с заполнением — два разных вида акустического оформления.

Дело в том, что, помимо рассмотренного механизма влияния на сжимаемость среды в ящике, присутствие в нём чего-то рыхлого и пушистого неизбежно увеличивает и потери в системе, ведь акустическая энергия рассеивается на волокнах заполнителя так же, как энергия колебаний диффузора рассеивается в неидеально упругом материале подвеса или при прокачивании воздуха сквозь узкую щель магнитного зазора. Так что существует не один, а два механизма, по которым присутствие в ящике чего-то, кроме застоявшегося воздуха, влияет на параметры системы «головка — ящик».

Трудно было удержаться, чтобы не проверить опытным путём, как проявляются эти два механизма (впрочем, мы особенно и не старались удержаться). А заодно — дать хотя бы ориентиры ожидаемого эффекта заполнения ящика в зависимости от количества и качества заполняющего материала.

Опытным полигоном стала полочная колонка KEF Coda III из музея редакции. Классический случай acoustic suspension: у 8-дюймовой НЧ-головки собственная резонансная частота 34 Гц, эквивалентный объём — почти 80 л. Объём ящика — 19 л, то есть результирующая жёсткость на две трети определяется упругостью воздушного объёма. Это, конечно, не как у Вильчура, там — на 90%, но это было давно и для другого опыта.

Было закуплено некоторое количество синтепона, материала, наиболее часто используемого в практике заполнения, а у одного из дачников изъяты излишки теплоизоляционного материала Isover на основе стекловолокна.

Основательно распушённый (это оказалось важно) синтепон порциями, взвешиваемыми на электронных весах, добавлялся в ящик, после чего измерялись параметры акустической системы — резонансная частота и добротность.

С каждой новой порцией белого и пушистого материала и то и другое снижалось. Заметно. Потом полученные результаты загнали в «Эксель» и построили график относительного изменения параметров по сравнению с пустым ящиком как функцию плотности заполнения (в граммах на литр объёма). При заполнении синтепоном иссякли на отметке 18 г/л, при этом объём оказался заполнен практически полностью. Резонансная частота снизилась с 78 Гц до 70, то есть — на 9%.

Классический вопрос: много это или мало? Взгляните: если вернуться к отвергнутой нами за невнятностью логике «виртуального увеличения объёма», легко посчитать, что для получения такого снижения частоты резонанса объём потребовалось бы сделать не 19, а 24 л. То есть — на 28% больше. А это — эффект, и весьма существенный.

Что будет происходить при промежуточных значениях плотности набивки, легко снять с графика, который мы и предлагаем в качестве ориентира.

Однако, как говорили герои русских народных сказок, «Чу!». А вторая кривая, отражающая изменение добротности системы? Она-то куда провалилась? Если бы работал только один механизм, связанный с увеличением сжимаемости (снижением жёсткости) объёма, кривые для резонансной частоты и добротности шли бы рука об руку. Добротность падала бы в силу уменьшения общей доли упругих сил в системе. А она падает быстрее, это включился второй механизм, роста вязких потерь в ящике.

Включился параллельно первому, при максимальном заполнении Qtc составила 84% от исходной, чтобы добиться такого простым увеличением объёма, его потребовалось бы увеличить до 31 л, что на 66% больше первоначального.

А теперь, пожалуйста, внимательно: мы обещали доказать, что ящик и ящик с заполнением — два разных вида акустического оформления. И только что доказали. Изменяя объём ящика (пустого), мы синхронно и строго пропорционально изменяем и резонансную частоту, и добротность. Изменить соотношение между ними простым воздушным объёмом — нельзя. А варьируя заполнением, мы изменяем добротность системы сильнее, чем резонансную частоту, и это более мощное, хотя и более хлопотное средство управления параметрами системы.

Опробовали мы и второй заготовленный материал, на основе стекловолокна. Из графика очевидно: всё происходит аналогично, но при вдвое меньшей плотности заполнения. На практике синтепон всё же лучше, после опыта с «Изовером» вся испытательная бригада чесалась, как три беспризорника.

Закончив чесаться, задали себе вопрос: а можно ли вычленить один из механизмов, по которому заполнение ящика влияет на параметры акустической системы?

Можно. Любой из двух. Представьте себе, что вы заполнили звукопоглощающим материалом открытый ящик. Тогда об упругости воздуха речь идти не будет, динамик работает на бесконечный объём, а вносимое звукопоглотителем вязкое сопротивление останется. Что получается?

То, что названо панелью акустического сопротивления или же — апериодической нагрузкой. Она именно потому и называется апериодической, что в отличие от закрытого ящика упругости в систему не вносит, только потери. Для грубой, качественной оценки: вычтите из нижней кривой на любом из графиков верхнюю, и вы получите эффект от ПАС.

К сожалению, достоверной методики расчёта и моделирования такого акустического оформления нет, один сплошной эмпиризм.

Но удачные реализации — есть, они несколько раз всплывали на наших страницах.

Можно ли выделить второй механизм, тепловой? Тоже можно.

1500 метров провода и река Сунгари

Для этого решили взять материал, у которого с теплоёмкостью полный порядок, а способность вносить акустические потери — под сомнением. В качестве такового выбрали очень тонкую медную проволоку. Сорок микрон в диаметре. Проволоку сматывали в бобины в четыре руки, а потом припахали к процессу не вовремя попавшегося на глаза эксперта журнала «Салон AV». К концу процесса получили очень красивую золотистую бороду массой чуть больше 30 граммов, в которой находилось полтора километра проволоки.

Измерения показали: и резонансная частота, и, что важно, добротность изменились мало, но одинаково, снизившись примерно на 3%. То есть: тепловой механизм работал, а акустический — нет, какой из меди звукопоглотитель... Заменили медную проволоку алюминиевой фольгой, раз дело в отношении поверхности к объёму. Аналогичный эффект, только ещё более слабый, порядка 1,5% по обоим параметрам. Результат — чисто академической ценности, поскольку площадь поверхности заполнителя в обоих случаях была невелика: от 0,5 до 1 м².

Относительное изменение частоты резонанса и добротности акустики в зависимости от плотности заполнения. При использовании волокнистых материалов добротность падает быстрее, чем резонансная частота. Неожиданно сильный эффект от добавления в ящик активированного угля сказывается на Fc и Qtc почти одинаково.

И тут произошло загрязнение окружающей среды. Не у нас, а на Дальнем Востоке, китайским бензолом. В новостях то и дело проскальзывало про запасы активированного угля, и нас осенило: отношение суммарной поверхности пор к объёму самое чумовое именно у сорбентов. В данном случае (посмотрели по справочной литературе) — до 1000 м² на 1 г массы.

Добыли нужного вещества в магазине для аквариумистов и приступили. Прошу поверить: только потом, обмолвившись где-то о творимых безобразиях, узнали, что ровно в этом направлении сейчас ведёт поиск фирма KEF (как в воду глядели, выбирая колонку для первой части эксперимента). Там это называется АСЕ (Acoustic Compliance Enhancement). Означает то же самое, о чём мы толкуем, и, главное, материал тот же — активированный уголь.

Для этого опыта мы взяли из машины одного из участников исследований 4-дюймовую головку Eton, поработавшую достаточно для стабилизации параметров, снарядили ею тестовый бокс объёмом 2,8 л и стали постепенно добавлять внутрь гранулированный активированный уголь. Результата (ещё не зная про KEF) ждали, но ждали слабенького.

И были изрядно удивлены обнаруженным эффектом. Когда ящик оказался заполнен углём больше чем наполовину (1,5 л из 2,8), и резонансная частота, и добротность снизились на 6%, притом что глаза ясно видели, насколько уменьшился свободный объём внутри ящика.

Если бы требовалось снизить резонансную частоту и добротность, увеличивая объём бокса, он для такого изменения должен был бы стать объёмом 3,6 л (против 2,8). При этом, как мы и ожидали, падение добротности обгоняло падение резонансной частоты совсем ненамного, то есть сорбент влиял, главным образом, на сжимаемость среды внутри ящика, а не на потери. Сюжет, однако...

На посошок

Сумел ли я убедить читателя, что закрытый ящик прост по схеме, но отнюдь не примитивен по рождению и принципу действия? Очень надеюсь. Теперь остаётся лишь употребить новые (или освежённые, у кого как) знания на практике. Известно, что на что влияет, известно теперь даже, как можно довольно гибко управлять параметрами динамика одним только ящиком плюс немного белого и пушистого.

Дело за малым — знать целевые характеристики, то есть: какой же в итоге должна оказаться резонансная частота и добротность, если мы проектируем автомобильный сабвуфер. Тема далеко не простая, путаницы и там хватает, этому посвятим следующий выпуск «В.В.».

Источник: журнал «Автозвук», №2, 2006.