Устройство акустических колонок
Звук сопровождает человека от его первых мгновений с момента рождения. Слуховой аппарат, данный нам от Природы, весьма совершенен и приспособлен воспринимать самые различные звуки в широком диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Но если естественные звуки человек привык воспринимать как данность, то по мере развития культуры с одной стороны и технологий — с другой, появилась потребность воспроизвести самые различные звуки с помощью искусственных творений.
Открыв фундаментальные законы физики, познав основные принципа передачи и приема звуковых волн, человек начал создавать приборы — акустические системы — стремящиеся воспроизвести неискаженный и естественный звук с минимальной погрешностью.
Динамическая головка без акустического оформления имеет очень низкую отдачу и совсем плохо воспроизводит нижние частоты звукового спектра.
Объясняется это просто: при поступательном движении диффузора воздух просто перегоняется с передней стороны диффузора на заднюю и обратно, происходит так называемое акустическое короткое замыкание, и лишь малая доля энергии превращается в звуковую волну.
Простейший способ устранить акустическое короткое замыкание — создать акустическое оформление.
Типы акустического оформления
Как известно, динамики (акустические излучатели) из-за конструктивных особенностей не могут обеспечить качественное воспроизведение звука во всех диапазонах и, прежде всего, на низких частотах.
На заре развития данной области в качестве акустической конструкции выступал непосредственно сам корпус изделия. В ящике-корпусе, помимо динамика, размещались также и прочие конструктивные элементы: печатные платы, проводка, задние стенки блоков различных устройств, выходящих на внешнюю сторону.
Все это в совокупности приводило к появлению резонансов, что проявлялось в примесях к общему звуку в виде разного рода дребезжания. Как следствие, резко снижалось качество воспроизведения звука вообще и на нижних частотах в частности.
Именно поэтому в дополнение к самой современной и навороченной усилительной системе или мощному CD-проигрывателю, оснащенного цифровыми преобразователями, необходима высококачественная акустическая система, оформленная должным образом.
Перед тем как погружаться в акустические тонкости, рекомендуем ознакомиться с теоретическими размышлениями, посвященным основам акустики в статье «Теория акустики от Андрея Киреева».
Изыскания в области достижения качественного звука породили целую группу типов оформления акустических систем. Одни из вариаций отличались простотой конструкции, как, например, простейший акустический экран или замкнутый ящик. Но при этом указанные типы оформления демонстрировали очень низкий КПД.
Более продвинутый вариант оформления — фазоинвертор, когда в корпусе акустической системы проделывалось специальное отверстие, позволяющее внешнему воздуху вступать во взаимодействие с более упругим во внутреннем пространстве ящика. Но настройка фазоинвертора более сложная, так как учитываются три параметра: общий объем корпуса, длина и сечение тоннеля. Часто в корпус встраивается тоннель регулируемой длиной, для изменения частоты настройки.
Более эффективным типом оформления акустических систем стал полосовой громкоговоритель или громкоговоритель с симметричной нагрузкой. В такой конфигурации объединяются фильтры и верхних и нижних частот. Полосовые динамики в свою очередь подразделяются на одинарный громкоговоритель 4-го порядка и полосовые громкоговорители 6-го порядка с двумя тоннелями.
Вариация 4-го порядка оснащается двумя замкнутыми пространствами, в одно из которых вмонтирован динамик, а во второе — туннель, как в фазоинверторе. Такую систему еще называют симметричной, так как динамик размещается в перегородке между пространствами, в одну из них работает передняя — основная сторона диффузора, а в другую, оснащенную туннелем — обратная.
Но максимальной эффективностью обладает двухтуннельный полосовой громкоговоритель 6-го порядка. Минимальные искажения звука достигаются двойным бандпассом, когда камеры настроены с разницей в октаву. Каждая сторона диффузора нагружена своим туннелем. Однако такая система демонстрирует резкий спад АЧХ при выходе за рабочий диапазон звука.
Как видно, вариаций типов оформлений акустических систем достаточно много, каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Для более детального ознакомления с существующими видами оформлений, рекомендуем прочитать статью «Типы акустического оформления».
Материалы корпуса
Помимо типов акустического оформления на качество звуковоспроизведения существенное влияние оказывают и материалы. В зависимости от материала, используемого для изготовления корпуса АС, передние и задние стенки ящика излучали звуки разной длины. Это обусловило повышенное внимание обратить на то, из какого материла изготавливались корпуса акустических систем.
В идеале звук, исходящих из динамика, помещенного в корпус акустической системы, должен подвергаться минимальным искажениям, достигая уха человека. Учитывая, что наиболее распространенным материалом, используемым человеком на протяжении многих тысячелетий, является дерево, то его использование в создании корпусов акустических системы вполне естественно. Тем более, что природа наделила Землю широчайшим многообразием естественного возобновляемого сырья.
Но структура древесных волокон у разных видов древесины различается, что заставляет учитывать этот природный эффект. Условия, в которых эксплуатируются АС, могут быть с разной влажностью воздуха. Это приводит к расширению волокон и, следовательно, к изменению качественных свойств всей акустической системы.
Именно поэтому должное применение нашла клееная древесина, а также корпуса, изготовленные с применением современных технологий.
Именно технологии вкупе с природной древесиной породили самые разнообразные и высококачественные производные обработки дерева:
- многослойная проклеенная фанера (ОСП);
- древесно-стружечные плиты (ДСП) с облицовкой шпоном или пластиком с декоративным узором одной или двух сторон полотен;
- мелкодисперсная фракция или древесноволокнистая плита (МДФ).
Помимо дерева и производных обработки древесины, свое применение нашли и иные материалы, используемые для создания корпусов акустических систем. Это, прежде всего, камень вообще и наиболее популярный материал — сланец. Но простой в обработке и хорошо поглощающий вибрацию материал обладает внушительным вестом.
Органическое стекло позволило всем любителям АС в прямом смысле заглянуть внутрь некогда непрозрачного закрытого корпуса акустики.
Металл также не остался в стороне при изготовлении корпусов АС. Наибольшей популярностью пользуются сплавы алюминия, отличающиеся легкостью и жесткостью. Из этого материала, как правило, изготавливаются верхние и нижние панели акустических конструкций.
И уж совсем отдельной категорией стоят разные экзотические материалы, из которых так же предпринимаются попытки создать оптимальный акустический корпус. Это и картон, и просто прессованная бумага.
Поиски достижения минимизации искажения звуковых волн в корпусах современных акустических система продолжаются. Более детально познакомиться с перечнем материалов применяемых при изготовлении самых разных конструкций можно в нашей статье «Материалы корпусов акустических систем».
Резонанс корпусов АС
Как было показано выше на финальные качество то или иной акустической системы определяющее влияние оказывают тип оформления АС, а также материал изготовления корпусов, в которых впоследствии монтируются динамики и прочие компоненты.
Однако эти, безусловно, два важных фактора не являются единственными, от которых зависит качество воспроизведения звука.
Даже если корпуса двух АС имеют одинаковую конструкцию, они могут быть выполнены из разных материалов. Звук также будет отличаться и в случае изготовления идентичных корпусов и одинаковых материалов. У ящиков могут быть стенки разной толщины. Виной всему такое физическое явление как резонанс. Именно он вносит свою лепту в «разноголосие» АС, вызываемом корпусами акустических систем.
Какого бы материала и формы не была стенка АС, она начинает вибрировать под воздействием внутренних и внешних воздействий. С одной стороны, на корпус воздействует внешняя среда, а с внутренней — воздух повышенной упругости, подвергающийся еще и частотному возбуждению, порождаемому головкой диффузора. При совпадении ряда параметров и достижения критической частоты возникнет эффект резонансного отклика к данной нагрузке.
В обобщенных случаях резонансные колебания стенок корпуса АС могут наступать в трех основных ситуациях:
- при изменении уровня давления внутри корпуса АС;
- при противодействующей силе от громкоговорителя;
- при изменении положения других конструктивных составляющих АС (например, панелей).
- Для более полного понимания возникновения резонанса изучалась серия стальных пластин с разными вариациями распорок. Разработаны формулы, дающие достаточно точную картину основных гармоник пластин прямоугольной формы. Структура пластин при этом однородная, края жестко зафиксированные или свободно опертые.
Помимо вышеуказанных причин порождения вибраций стенок корпусов акустических систем, существует еще ряд элементов, которые могут стать причиной появления акустического резонанса.
Это демпфирование (искусственное подавление колебаний), внутреннее поглощение и дополнительные ребра жесткости.
Демпфированием обладают практически все материалы, используемые при изготовлении корпусов АС. Погашение вибраций даже после исчезновения частоты, породившей резонанс, критически зависит от материала изготовления панели. Демпфирование приводит с минимизации вибрации панелей.
Эффект внутреннего поглощения достигается с помощью специального звукопоглощающего материал, которое заполняет внутреннее пространство корпуса АС. Как было сказано выше, таким материалом может выступать различной структуры вата. Этим же материалом можно покрыть и внутренние стенки корпуса.
Наиболее эффективным и при этом достаточно простым способом борьбы с резонансом являются ребра жесткости, конструктивно входящие в корпус АС. Рассчитаны формулы, позволяющие указать местоположение и размеры ребер жесткости. В общем случае, основные резонансные частоты пропорциональны квадратному корню жесткости панели, деленному на массу панели на единицу площади.
Для более детального ознакомления с понятием резонанса акустических систем, а также с расчетными формулами, позволяющим добиться минимизации эффекта, читаем статью «Теория резонанса корпусов».
Выбор динамиков
Восприятие звука у человека происходит на естественном природном уровне, поэтому любую фальшь в звуке или засорение его лишними призвуками человеческое ухо фиксирует достаточно четко. С развитием технологий и появлением разного рода излучателей — динамиков, к их конструкции стали предъявляться все возрастающие требования. Цель проста — достичь максимально естественного и качественного воспроизведения звуков с минимальными искажениями.
По мере развития индустрии усложнялись не только корпуса акустических систем, все более сложными становились сами громкоговорители. Кроме того, стали появляться многополосные системы, имеющие на «борту» две и больше диффузоров. Каждый динамик предназначался для воспроизведения определенной части из всего звукового диапазона.
Двухполосные, трехполосные и более сложные системы позволяли воспроизвести качественный звук как в области низких, так и в области средних и высоких частот. Такой подход вполне оправдан, так как звуки, воспроизводимые разными источниками, попадают в разные секторы звукового диапазона, будь это пение, звук барабана или звучание гитары.
Именно многополосные акустические системы, имеющие в составе ряд самых разных динамиков, способны извлечь из всего широкого звукового спектра необходимый звук и обработав его с минимальными искажениями воспроизвести. Необходимость достижения качественного воспроизведения диктует и конструктивные особенности многополосных акустических систем. При этом обязательно учитывается не только непосредственно сама конструкция ящиков АС, ее размеры и количество, но и материал изготовления.
Разделение НЧ, СЧ и ВЧ излучателей в отдельных корпусах позволяет вычленить звук необходимой частоты и обработать его должным образом. Кроме того, удается минимизировать и акустический резонанс (об эффекте которого было сказано выше). При раздельных корпусах или изолированных блоках АС удается существенно снизить вероятность раскачки СЧ и ВЧ-излучателей в районе резонансных частот. Ознакомиться с вариациями сложных акустических систем, позволяющих добиться очень качественного воспроизведения, можно в статье «Одно- и многополочные колонки».
В общем случае конструкция низкочастотного громкоговорителя содержит диффузор, подвеску диффузора, магнитную систему, колебательную катушку и подвес. Неприхотливость, а также разнообразие конструктивных решений при использовании НЧ-динамиков позволяют применять их в совершенно разных обстоятельствах. НЧ динамики отлично отображают басы, поэтому, например, в кинотеатрах, такие конструкции весьма востребованы.
Подробно познакомиться с конструкциями и принципом функционирования низкочастотных динамиков можно в нашей статье «Что такое НЧ динамик?».
СЧ-динамики работают в диапазоне, куда попадает человеческий голос, поэтому качество таких акустических систем всегда была под особым вниманием.
Учитывая, что основная доля звуковой информации, принимаемая человеческим мозгом, приходится именно на средние частоты, то повышенные требования к СЧ-динамикам вполне логичны.
По своим конструктивным особенностям СЧ-динамики сопоставимы с низкочастотными. Однако для расширения направленности в верхних секторах звукового диапазона габариты среднечастотников компактнее.
Что касается ВЧ-динамиков или как еще их называют твитерами, то их «специализация» диапазон высоких частот. Современные акустические системы среднего и высокого уровня, как правило, комплектуются твитерами. Задача ВЧ-динамиков обеспечить максимально ровную и гладкую АЧХ в «своем» секторе всего рабочего диапазона АС. А это уже зависит от разработчиков всей акустической системы и ее настройки. Если твитеры будут маломощные и тихие, то звук в верхних частотах «потеряется» и звучание станет тусклым.
Отдельно стоит сказать и о широкополосных акустических системах. Таковыми считались все динамики в самом начале развития АС. Однако по мере развития и повышения требования к звуковоспроизведению один широкополосный динамик стали заменять на систему из двух громкоговорителей, куда подавался звуковой сигнал, предварительно разделенный кроссовером на две полосы.
Современные широкополосные системы — это АС, состоящая из двух динамиков: один — более крупный динамик с тонким и легким бумажным диффузором, отвечает за низкие и средние частоты. Его задача — воспроизведение большей части звукового спектра от низких барабанных басов до вокала. Второй динамик — высокочастотный, меньшего размера с легким диффузором, позволяющим отразить гораздо более высокие тона.
Разделительные фильтры в акустических системах
Задача по созданию акустической системы, воспроизводящей идеальный звук — задача не тривиальная, а как показывают предыдущие разделы довольно сложная, содержащая ряд важных моментов. Познакомившись с целым рядом разнообразных типов оформления акустических систем, а также уяснив, что качество материала, из которых создаются корпуса АС, крайне важно, перейдем к еще одному аспекту, влияющему на качество конечного звука — разделительные фильтры.
На качество широкополосного звука пагубное влияние оказывает целый ряд внешних воздействий. Поэтому весьма проблематично обеспечить на всем протяжении рабочего диапазона ровную и стабильную амплитудно-частотную характеристику, удовлетворяющую тем или иным стандартам.
Наряду с решением задачи по минимизации вибраций корпусных элементов АС (см. про резонанс корпусов), а также выбор наиболее эффективного типа акустического оформления, необходимо приложить определенные усилия по очистке звука на всем протяжении рабочего звукового диапазона от примесей и помех.
Для этого служат разделительные фильтры или, иначе говоря, кроссоверы. Роль такого фильтрующего компонента акустической системы весьма специфична, так как кроссовер может существенно улучшить звучание колонки. Но при неправильных расчетах либо при использовании низкокачественных материалов, разделительный фильтр, наоборот, только усугубит искажения звука. Причем это будет наблюдаться даже в очень качественных корпусах с отличными динамиками.
Основная задача кроссовера — разделение широкополосного входящего звукового сигнала на частотные полосы, для последующего выведения разделенного сигнала на соответствующие динамики. Такая задача формирует характеристики фильтра, которые должны учитывать все динамики, входящие в акустическую систему.
Кроссовер, по сути, это два или больше фильтров, у каждого из которых своя задача: либо не пропустит к заданному динамику ту или иную частоту, либо, наоборот, обеспечить максимально качественную передачу звука к «своему» динамику.
Более подробно о причинах применения в акустических системах кроссоверов, а также вариантах настроек разделительных фильтров (на что уходить значительное время) читаем в статье «Зачем нужны разделительные фильтры в АС».
Сложные и необычные формы АС
Глубоко и практически досконально изучив возможности стандартных типов акустического оформления и перепробовав множество различных материалов, из которых изготавливаются те или иные звуковые системы, настоящие любители качественного звука идут дальше. Центром внимания становятся не только необычные формы АС, но и особо сложные их модификации.
На какие только ухищрения не идут изобретатели необычных и сложных акустических систем. Законы физики не обманешь, поэтому стремление к идеальному звуку приводит создателей к весьма неожиданным формам АС.
Электростатическое взаимодействие
Принцип электростатического взаимодействия лег в основу экспериментов и разработок одноименных нестандартных излучателей — электростатических громкоговорителей. Конструкция такого динамика и вправду весьма необычная.
Сверхлегкая мембрана с проводящим напылением натягивается между двумя решетками-статорами. Мембрана сверхтонкая (толщина в 10 раз тоньше человеческого волоса). Колебания мембраны возбуждаются усиленным звуковым сигналом, поступающим на решетки-статоры. Как результат — воспроизведение очень детального и прозрачного звука с очень малым коэффициентом нелинейных искажений (всего до 0,05%).
Среди электростатических громкоговорителей различают модификации с криволинейной панелью, сферические, с пластинами с криволинейной поверхностью. Есть изделия с треугольным излучателем и сегментированным статором. А есть конструкции с электростатической панелью с газовым наполнением. Подробнее об указанных вариациях, о достоинствах и недостатках электростатических громкоговорителей можно познакомиться в статье «Электростатический громкоговоритель с широкой диаграммой направленности».
Современные акустические системы
На сегодняшний день ассортимент предлагаемых современных акустических систем чрезвычайно богат. Десятки форматов АС способны удовлетворить запросы даже самого искушенного любителя качественного звука.
АС представлены портативными и бытовыми конфигурациями, студийными и концертными, Hi-Fiи беспроводными, трансляционными. Каждый их представленных вариантов предназначается для своей сферы и соответственно обладает теми или иными характеристиками.
Так бытовая акустика — это недорогие невысокой мощности широкополосные колонки со стереозвуком. Достаточные для прослушивания музыки в домашних условиях.
Студийные и концертные АС — это уже намного более профессиональные конструкции. Такие АС используются специалистами при работе в аудио-студиях. Возможности таких систем гораздо шире, качество звука намного лучше.
Воспроизведение звука в производственных и прочих специальных помещениях для обеспечения должного оповещения — это прерогатива трансляционных акустических систем.
Отдельной и очень популярной категорией являются портативные и беспроводные АС. Используя известный канал bluetooth колонки могут быть не только компактного размера, но и беспроводные. Стильный дизайн (как правило, тип оформления АС — закрытый ящик) и мощный аккумулятор на борту позволяют органично вписать такие колонки в любой стиль, сделав их изюминкой интерьера.
Например, безпроводная акустическая система JBL Charge 4 имеет небольшой размер, хорошее звучание и популярна не только у молодежи. Имеет акустическое оформление с пассивным излучателем, что видно из следующего видео.
Также такие микросистемы очень популярны у спортсменов и прочих любителей мобильной жизни. Гарнитура с приличным качеством воспроизводимого звука всегда под рукой, что чрезвычайно удобно в условиях современного динамичного мира.
Контрапертурные аудиосистемы
Еще одной достаточно необычной акустической системой является контрапертурные АС. Это своего рода всенаправленная акустика, равномерно заполняющая пространство звуковыми волнами. Достигается такой эффект двумя динамиками, расположенными друг напротив друга строго в вертикальной плоскости.
Абсолютно синхронно сталкивающиеся звуковые волны аккумулируют результирующую волну, распространяющуюся во всех направлениях. Во всех точках помещения не будет никаких звуковых ям, одна сплошная комфортная зона прослушивания.
Вибрационные колонки
Для функционирования такой конструкции АС достаточно иметь под рукой любую твердую поверхность: окно, обычный стол или и вовсе коробка из-под сока или молока. Передавая на твердую поверхность вибрации, такое устройство превращает ее один сплошной диффузор.
Безусловно, качество звука такой акустической системы буде невелико, но и такие изделия нашли свое применение на различных выставках, в музеях и ресторанах. Прикрепленное к большой и ровной витрине или стенду устройство превратит их в невидимый громкоговоритель.
Громкоговоритель с круговым излучением
Всеохватывающий громкоговоритель«Omnisono» является одной из вариаций точечного излучателя. Таким динамиком считается такой, размеры которого несоизмеримо малы по сравнению с длиной возбуждаемой им звуковой волны. Если в рабочем диапазоне взять сектор низких частот, то для них точечными излучателями будут все динамики. Однако их направленность обостряется по мере повышения частоты сигнала, когда длина излучаемой звуковой волны и размеры АС становятся соизмеримыми.
Акустический Рубик
Ну и в завершении приведем пример настоящего фаната акустических наук, которых изготовил сабвуфер не просто как качественную акустическую систему. В результате кропотливого труда был создан 15" сабвуфер в форме настоящего … кубика Рубика, гиганта-кубика.
Акустическая система получилась не только эффектной по внешнему виду. Это настоящая герметичная система Sub с большим динамиком и вмонтированным в корпус усилителем. Вибрацию минимизирует существенный вес всей конструкции при точном расчете внутреннего объема и разводки коммуникаций. Детальный фоторепортаж с пояснением смотрите в статье «Сабвуфер в стиле кубика Рубика».
Выводы:
Технологический прогресс не останавливается ни на минуту. В то же время, человек мало в чем изменился в своей физиологии за все прошедшие тысячелетия, а это значить, что диапазон воспринимаемых звуков по-прежнему, для подавляющего числа людей, останется в пределах 20 Гц – 20 кГц. Человек все также будет желать наслаждаться не только естественными природными звуками, но и звуками, созданными искусственно.
Поиски минимизации искажений воспроизводимых звуков будут расширяться не только в области создания новых типов акустического оформления, но также будут предприниматься попытки создать новые уникальные материалы. Используя новейшие технологии и изобретенные акустические системы, человек приблизиться к достижению главной цели — абсолютно прямой и устойчивой амплитудно-частотной характеристики на всем протяжении рабочего диапазона. А может быть и за его пределами.
