Закрытый ящик как конструктивно простейшее акустическое оформление из практически применяемых, исследование преимуществ и недостатков его использования. Громкоговоритель с пассивным излучателем. Band-bass и полосовые громкоговорители, их формы и типы.
Он держит оборону, не пуская колебания с одной стороны диффузора на другую и не давая им взаимно уничтожиться вплоть до частот, на которых кратчайшее расстояние между лицевой и обратной стороной диффузора станет сопоставимо с длиной полуволны излучаемой частоты. На самом деле бесконечным экраном принято считать закрытый ящик с объемом настолько большим, что упругость заключенного внутри него воздуха значительно меньше упругости подвески диффузора, так что динамик эту упругость просто не замечает и характеристики акустической системы определяются только параметрами головки. Другое дело, что не всякий динамик будет хорошо работать в таком оформлении, но это мы обсудим отдельно, когда будем говорить о выборе динамика под акустическое оформление (или наоборот). В-четвертых, при грамотном выборе параметров головки и объема для нее закрытый ящик не имеет себе равных в области импульсных характеристик, в значительной мере определяющих субъективное восприятие басовых нот. В своем рабочем диапазоне фазоинвертор создает для динамика совершенно тепличные условия, причем точно на частоте настройки амплитуда колебаний минимальна, а большая часть звука излучается тоннелем.
Введение
Существует как минимум 6 видов акустического оформления для Сабов. Задача любого низкочастотного акустического оформления решается по древнему принципу «разделяй и властвуй». «Разделяй» означает, что колебания, излучаемые одной стороной диффузора, должны быть чем-то отделены от колебаний, создаваемых обратной его стороной, одновременно и в противофазе с первыми. «Властвуй» означает, что с отсеченными таким образом «лишними» звуковыми волнами можно поступить по-разному.
Исторически первым акустическим оформлением был акустический экран. Он держит оборону, не пуская колебания с одной стороны диффузора на другую и не давая им взаимно уничтожиться вплоть до частот, на которых кратчайшее расстояние между лицевой и обратной стороной диффузора станет сопоставимо с длиной полуволны излучаемой частоты. А ниже этой частоты акустический экран «расписывается в полном неумении» и предоставляет противофазным волнам гасить друг друга как им заблагорассудится. Для пресечения акустического короткого замыкания на частоте, скажем, 50 Гц, щит должен иметь размер 3 метра на 3. Поэтому этот вид акустического оформления практическое значение давно утерял, хотя и используется до сих пор в качестве эталонного при измерении параметров динамиков.
1. Закрытый ящик
Конструктивно простейшее акустическое оформление из практически применяемых - закрытый ящик. Здесь с ненужными колебаниями поступают решительно и круто: запертые в замкнутом пространстве позади диффузора, они рано или поздно угаснут, и превратятся в тепло. Количество этого тепла мизерно, но в мире акустики все носит характер малых возмущений, поэтому то, как происходит этот термодинамический обмен, небезразлично для характеристик акустической системы. Если позволить звуковым волнам внутри корпуса громкоговорителя болтаться без присмотра, значительная часть энергии будет рассеяна на содержащемся внутри корпуса объеме воздуха, он, пусть и незначительно, нагреется и изменится упругость воздушного объема, причем в сторону повышения жесткости. Для того, чтобы этого не происходило, применяют заполнение внутреннего объема звукопоглощающим материалом. Поглощая звук, этот материал (обычно вата, натуральная, синтетическая, стеклянная или минеральная), поглощает и тепло. Изза существенно большей, чем у воздуха, теплоемкости звукопоглощающих волокон повышение температуры становится намного меньше и динамику «кажется», что позади него существенно больший объем, нежели не самом деле. На практике таким способом удается добиться увеличения «акустического» объема по сравнению с геометрическим на 15 - 20%. В этом, а вовсе не в поглощении стоячих волн, как считают многие, заключается основной смысл введения звукопоглощающего материала в закрытые громкоговорители.
Разновидностью этого (а не предыдущего, как часто полагают) типа акустического оформления является так называемый «бесконечный экран». В англоязычных источниках такой тип оформления называют infinite baffle или free-air. Все приведенные названия одинаково дезориентируют. Мы все тут взрослые люди и понимаем, что бесконечного экрана на практике быть не может. На самом деле бесконечным экраном принято считать закрытый ящик с объемом настолько большим, что упругость заключенного внутри него воздуха значительно меньше упругости подвески диффузора, так что динамик эту упругость просто не замечает и характеристики акустической системы определяются только параметрами головки. Где проходит та граница, начиная с которой объем ящика становится как бы бесконечным, зависит от параметров динамика. Впрочем, при решении практических задач таким объемом всегда оказывается внутренний объем багажника, который, даже у небольшого автомобиля будет давать реакцию «бесконечно большого» объема даже для большого динамика. Другое дело, что не всякий динамик будет хорошо работать в таком оформлении, но это мы обсудим отдельно, когда будем говорить о выборе динамика под акустическое оформление (или наоборот).
При всей (кстати, кажущейся) простоте закрытого ящика как акустического оформления низкочастотного звена автомобильной акустики, это решение обладает многими достоинствами, отсутствующими у других, более мудреных конструкций.
Во-первых, простота расчета характеристик. У закрытого ящика есть всего один параметр - внутренний объем. Уж один-то можно правильно выбрать, если постараться! Поле для ошибок здесь сведено к минимуму.
Во-вторых, во всем диапазоне частот, вплоть до нуля, колебания диффузора сдерживаются упругой реакцией воздушного объема внутри ящика. Это существенно снижает вероятность перегрузки динамика и его механических повреждений. Не знаю, насколько утешительно это звучит, но у заядлых любителей баса динамики в закрытых ящиках, бывает, горят, но практически никогда не «выплевываются».
В-третьих, только закрытый ящик является акустическим фильтром второго порядка, то есть имеет спад АЧХ ниже частоты резонанса системы головка-ящик крутизной 12 ДБ/окт. А именно такой крутизной, только с противоположным знаком, обладает АЧХ внутреннего объема салона автомобиля, комнаты, ниже некоторой частоты. Если угадать, рассчитать или измерить (как кому доведется) - появляется возможность получить идеально горизонтальную частотную характеристику на нижних частотах.
В-четвертых, при грамотном выборе параметров головки и объема для нее закрытый ящик не имеет себе равных в области импульсных характеристик, в значительной мере определяющих субъективное восприятие басовых нот.
Но у закрытого динамика есть подвох. Подвох один-единственный. К.п.д. У закрытого ящика он - наименьший по сравнению с любым другим типом акустического оформления. При этом чем меньше нам удастся сделать объем ящика, при сохранении того же рабочего частотного диапазона, тем меньше будет его эффективность. Нет более ненасытной твари в смысле подводимой мощности, чем закрытый ящик малого объема, поэтому-то динамики в них, как и было сказано, хоть и не выплевываются, но горят нередко…
2 Фазоинвертор
Следующий по распространенности тип акустического оформления - фазоинвертор (ported, vented, bass-reflex), более гуманен по отношению к излучению тыловой стороны диффузора. В фазоинверторе часть энергии, которая в закрытом ящике «ставится к стенке» используется в мирных целях. Для этого внутренний объем ящика сообщается с окружающим пространством тоннелем, заключающим в себе некоторую массу воздуха. Величина этой массы выбирается таким образом, чтобы, в сочетании в упругостью воздуха внутри ящика создать вторую колебательную систему, получающую энергию от тыльной стороны диффузора и излучающую ее куда нужно и в фазе в излучением диффузора. Такой эффект достигается в не очень широком диапазоне частот, от одной до двух октав, но в его пределах к.п.д. существенно возрастает, по принципу «нет отходов - есть неисопльзованные ресурсы». Помимо более высокого к.п.д. фазоинвертор обладает еще одним важнейшим достоинством - вблизи частоты настройки значительно уменьшается амплитуда колебаний диффузора. Это может на первый взгляд показаться парадоксом - как наличие здоровенной прорехи в корпусе громкоговорителя может сдержать движение диффузора, но тем не менее это - факт жизни. В своем рабочем диапазоне фазоинвертор создает для динамика совершенно тепличные условия, причем точно на частоте настройки амплитуда колебаний минимальна, а большая часть звука излучается тоннелем. Допустимая подводимая мощность здесь максимальна, а искажения, вносимые динамиком - наоборот, минимальны. Выше частоты настройки тоннель становится все менее и менее «прозрачным» для звуковых колебаний, за счет инерции заключенной внутри него воздушной массы, и громкоговоритель работает как закрытый. Ниже частоты настройки происходит обратное: инерция отннеля постепенно сходит на нет и на самых низких частотах динамик работаеи практически без нагрузки, то есть как будто его вынули из корпуса. Амплитуда колебаний быстро возрастает, а вместе с ней и риск выплевывания диффузора или повреждения звуковой катушки от удара о магнитную систему. В общем, если не предохраняться, поход за новым динамиком становится реальной перспективой.
Средством предохранения от таких неприятностей, помимо осмотрительности в выборе уровня громкости, служит использование фильтров инфранизких частот. Отрезая часть спектра, где все равно никакого полезного сигнала не содержится (ниже 25 - 30 Гц), такие фильтры не дают диффузору идти в разнос с риском для собственной жизни и Вашего бумажника.
Фазоинвертор существенно более капризен к выбору параметров и настройке, поскольку выбору, под конкретный динамик, подлежат уже три параметра: объем ящика, поперечное сечение и длина тоннеля. Тоннель очень часто делают так, чтобы у уже готового сабвуфера можно было регулировать длину тоннеля, меняя частоту настройки.
Изза наличия двух взаимосвязанных колебательных систем фазоинвертор является акустическим фильтром четвертого порядка, то есть его АЧХ теоретически имеет спад 24 ДБ/окт ниже частоты настройки. (Реально - от 18 до 24). Получить горизонтальную АЧХ при установке в салоне, комнате практически невозможно. В зависимости от соотношения размера салона, комнаты (а, стало быть, характерной частоты, с которой начинается подъем АЧХ внутренней акустики) и частоты настройки фазоинвертора суммарная характеристика может иметь отклонения от деликатного горба до безумных Амурских волн. Горб, то есть плавный подъем АЧХ на низших частотах часто бывает как раз тем что надо для оптимального субъективного восприятия басов в зашумленном пространстве, а вот резкие перепады амплитуды при неудачном выборе параметров снискали фазоинвертору, совершенно незаслуженно, прозвище boom-box («бухало»). Чтобы восстановить справедливость, заметим, что бухающего эффекта можно добиться и от закрытого ящика - я в следующий раз объясню, как; а правильно рассчитанный фазоинвертор способен дать очень ясный и музыкальный бас при разумной подводимой мощности.
Громкоговоритель с пассивным излучателем
Разновидностью фазоинверторного оформления является громкоговоритель с пассивным излучателем (или радиатором). Здесь вторая колебательная система, позволяющая утилизовать энергию, снимаемую с задней стороны диффузора, реализована не в виде массы воздуха в тоннеле, а в виде второго диффузора, ни к чему не присоединенного, но утяжеленного до требуемой массы. На частоте настройки этот диффузор колеблется с наибольшей амплитудой, а основной - с наименьшей. С продвижением вверх по частоте они постепенно меняются ролями. До недавнего времени этот тип акустического оформления не находил применения в мобильных установках, хотя в домашних используется довольно часто. Причиной нелюбви были неоправданные хлопоты по добыванию второго диффузора (это, обычно, такой же динамик, но без магнитной системы и звуковой катушки) и трудности в размещении двух больших диффузоров там, где у обычного фазоинвертора надо разместить диффузор и небольшой тоннель. Однако в самое последнее время автомобильные сабвуферы с пассивным излучателем появились - нужда заставила. Дело в том, что в последнее время стали появляться динамики нового поколения с очень большим ходом диффузора, рассчитанные на работу в малых объемах. Объем «выдуваемого» ими при работе воздуха очень велик, и туннель пришлось бы делать значительным в диаметре (иначе скорость воздуха в тоннеле возрастет настолько, что он будет шипеть как паровоз). А сочетание малого объема и большого диаметра тоннеля заставляет выбирать для тоннеля большую длину. Вот и оказалось, что фазоинверторы обычной конструкции для таких головок украсились бы трубами метровой длины. Чтобы избежать таких никому не нужных казусов, предпочли требуемую соколеблющуюся массу сосредоточить в пассивном излучателе с ходом диффузора, таким же, как и у активного динамика. акустический громкоговоритель излучатель
Третий тип акустического оформления, довольно часто используемый в автоустановках (хотя и реже, чем два предыдущих) - полосовой громкоговоритель (Band-Bass). Иногда встречается название «громкоговоритель с симметричной нагрузкой». Если закрытый ящик и фазоинвертор - акустические фильтры верхних частот, то полосовой, как и вытекает из названия - объединяет в себе фильтры верхних и нижних частот.
Простейший полосовой громкоговоритель - одинарный 4-го порядка. Он состоит из закрытого объема, т.н. задней камеры и второго, снабженного тоннелем, как у обычного фазоинвертора (передняя камера). Динамик установлен в перегородке между камерами так, что обе стороны диффузора работают на полностью или частично замкнутые объемы - отсюда и термин «симметричная нагрузка».
Из традиционных конструкций полосовой громкоговоритель, в любом варианте - чемпион по эффективности. При этом эффективность прямо связана с шириной полосы пропускания. Частотная характеристика полосового громкоговорителя имеет вид колокола. Путем выбора соответствующих объемов и частоты настройки передней камеры, можно построить сабвуфер с широкой полосой пропускания, но ограниченной отдачей, то есть колокол будет низким и широким, а можно - с узкой полосой и очень высоким к.п.д. в этой полосе. Колокол при этом вытянется в высоту.
Band-Bass - капризная штука в расчете и самая трудоемкая в изготовлении. Поскольку динамик закопан внутри корпуса, приходится идти на ухищрения по сборке ящика так, чтобы наличие съемной панели не нарушало жесткости и герметичности конструкции. Согласование частотных характеристик сабвуфера, салона и фронтальной акустики также связано с известной головной болью. Импульсные характеристики тоже не из лучших, в особенности при широкой полосе. Чем же это компенсируется?
Прежде всего, как говорилось - высочайшим к.п.д.
Во-вторых - тем, что весь звук излучается через тоннель, а динамик полностью закрыт. При компоновке такого сабвуфера открываются немалые возможности для установщика (или любителя) с фантазией. Достаточно найти небольшое местечко на стыке багажника и салона, где может разместиться жерло тоннеля - и путь мощнейшим басам открыт. Специально для таких установок фирма JL Audio, например, выпускает гибкие пластмассовые рукава-тоннели, которыми она предлагает (и многие соглашаются) соединять выход сабвуфера с салоном. Вроде шланга пылесоса, только толще и жестче.
Еще большей эффективностью обладают полосовые громкоговорители 6-го порядка с двумя тоннелями. Камеры такого сабвуфера настраиваются с разносом примерно в октаву. Двойной Band-Bass обеспечивает меньшие искажения в рабочей полосе, поскольку динамик нагружен фазоинверторами с обеих сторон диффузора, со всеми преимуществами такой нагрузки, но имеет более крутой, по сравнению с одинарным, спад АЧХ ниже рабочей полосы.
Промежуточное положение занимает так называемый квазиполосовой громкоговоритель, он же - с последовательной настройкой, где задняя камера соединена тоннелем с передней, а передняя еще одним тоннелем - с окружающим пространством.
4. Акустический лабиринт
Акустическое оформление громкоговорителя, где «отвод энергии» от тыльной стороны диффузора происходит по длинной трубе, обычно сложенной для компактности, но все равно увеличивающей габариты сабвуфера до пределов, недопустимых в мобильной установке, называется акустическим лабиринтом
Акустический лабиринт представляет собой трубу, в одном конце которой установлена головка громкоговорителя, а другой конец выходит на фронтальную панель громкоговорителя. Звуковая волна, созданная задней поверхностью диффузора, на нижней частоте диапазона, пройдя трубу, изменяет фазу на 180 градусов. В результате звуковое давление на нижних частотах диапазона, создаваемое такой конструкцией, увеличивается. Изза большого веса и габаритов акустический лабиринт применяется редко.
5. Свернутый рупор
После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и «присутствия». В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно - теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв. м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и «свернуты» сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.
Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50% - очень внушительное значение по сравнению с 2 -3% фазоинверторного и меньше чем 1% для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокая стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.
Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к «поточным» методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самодельщика или профессионала, для которых и предназначена данная статья.
Хотя ранние акустические граммофоны, фонографы, а также первые «электрические» преобразователи 20-30-х годов использовали рупоры самых разных видов, впоследствии прогресс этого вида оформления практически остановился. Конечно, отдельные фирмы производят рупорные громкоговорители, и редкие статьи в технической прессе вызывают временный подъем интереса, но, за исключением классических трудов Олсона (Olson), Беранека (Beranek) и еще нескольких публикаций, вышедших до 1940 года, информации, доступной желающим спроектировать и построить рупор, крайне мало. Данная статья преследует цель в какой-то степени удовлетворить интерес со стороны энтузиастов рупорного звучания.
После краткого исторического обзора в статье будет рассмотрена теория громкоговорителя с рупорной нагрузкой, а также объяснены отправные пункты, принимаемые во внимание при проектировании рупоров. Кроме того, будут изучены различные компромиссы, применяемые при проектировании, в особенности в области способов «сворачивания» и влияние этих компромиссов на качество звучания.
Список литературы
1. Павловская В.И., Качерович А.Н., Лукьянов А.П. Акустика и электроакустическая аппаратура. 2-е изд. - М.: Искусство, 1986
2. Сапожков М.А. (ред.) Акустика. Справочник - М.: РАДИО И СВЯЗЬ, 1989
3. В. Г Корольков, М.А. Сапожков; СПРАВОЧНИК ПО АКУСТИКЕ. Под общей редакцией М.А. Сапожкова - М.: РАДИО И СВЯЗЬ, 1979
4. Массовая радиобиблиотека. Вып. 919. Громкоговорители и их применение
