Понятия. Начала. Здравые и доступные заметки по поводу общеизвестного

Аудиотехника безгранична. Она подразумевает изучение всех компонентов аудиотракта и их взаимодействия. Нельзя сказать, что исследования акустических систем чем-то важнее или в чем-то сложнее других направлений, но здесь и удачи, и промахи оказываются наиболее ощутимыми на слух, и многие в этом убедились. Лично. Итак, если вы готовы знакомиться с акустическими системами с позиций простейшей, но достоверной теории, давайте прямо сейчас договоримся о том, как нам это лучше сделать.

Разминка для ума

Популярный аудиожурнал не место для академического изложения даже очень интересных фрагментов аудиотехники. Это потребует от читателя скупки всех номеров, как книг в развес, и пропуск хотя бы одного номера изуродует логику изложения. Однако и заниматься латанием прорех в читательских знаниях по принципу «штопай там, где больше дыра», мне бы не хотелось. Поэтому я выбираю самый трудный для себя путь и попробую сделать каждую публикацию законченной и одновременно предполагающей возможность безболезненного пропуска. Конечно, постоянный читатель, с нетерпением ожидающий нового номера и аккуратно собирающий журналы в подшивку, будет вознагражден. Но и тот, кто, ударившись твердым местом о киоск и оттого принявший решение отовариться симпатичным журнальчиком, сможет читать и понимать любую статью этого цикла тут же, без экскурса в прошлое.
Давайте договоримся – пока никаких формул, они для многих – сильнейший аллерген. Но в какой-то момент без них станет трудно, ведь по плану дальше мы безбоязненно будем углубляться в суть процессов в поисках истины, ибо для отечественного аудиолюбителя она по-прежнему находится за семью замками. Начнем с наболевшего и самого актуального в разделе «Звук в автомобиле». С природы звука. А точнее – с того, что в нем зависит от акустических систем, что они собой представляют и по каким законам живут.
Итак, самый элементарный подход. Возбудить звук можно многими способами – от струйных течений (используется музыкантами-духовиками и болельщиками-свистунами) до детонационного горения (применяется киношниками и террористами). Получение звука при помощи колеблющейся мембраны – диффузора динамической головки – всего лишь один из способов, по понятным причинам для нас наиболее важный.
Что же нужно, чтобы колеблющаяся поверхность возбудила звук?
Первое и самое главное. Должна быть окружающая среда, обладающая определенными свойствами. Для нас, вышедших на сушу миллионы лет назад, в качестве такой среды выступает воздух. Именно реальные свойства воздуха, как окружающей среды, позволяют динамической головке излучать. Эти свойства – конечная плотность и конечная упругость, то есть стойкость к сжатию. Приведем примеры, которые части читателей очевидными могут и не показаться.
Пример первый и самый простой. Колебания поверхности в безвоздушном пространстве. Понятно, что звука не получится, и пояснять это не нужно.
Пример второй, посложнее. Допустим, что воздух разряжен – плотность его уменьшилась вдвое по сравнению с нормальной 1,2 кг/м3. Теперь эффективность возбуждения звука снизится в два раза: поверхность, сохранившая параметры своих колебательных движений, возбудит вдвое меньшую акустическую мощность.
Третий пример, еще сложнее. Пусть упругость среды изменится, например возрастет. Не путайте упругость с давлением. Разные газы при одном и том же давлении обладают различной упругостью. И в этом случае акустическая мощность, возбуждаемая колебаниями поверхности, изменится. Более того, если упругость устремится к бесконечности (это будет означать, что скорость звука станет очень большой, гораздо большей, чем 340 м/с), возбуждаемая акустическая мощность устремится к нулю!
Это – элементарный случай возбуждения упругих волн. Механизм возбуждения таких волн прост: движущийся диффузор гонит перед собой воздух; так как воздух имеет плотность, он инерционен, а следовательно, сжимается перед диффузором; волна сжатия не может улетучиться мгновенно, так как скорость ее распространения конечна и равна скорости звука, следовательно, часть энергии диффузора передается волне. Зарождается волновой процесс, со своими скоростью, направлением и конкретным количеством перенесенной энергии.
А теперь вспомним о названии нашего журнала. Ведь нас интересует звук, но АвтоЗвук интересует еще больше! И убедимся, что потратили время на рассуждения не зря: в автомобиле все может быть иначе.
Допустим, что рассмотренный механизм возбуждения звука почему-то испортился и не работает, – может газ неплотный или скорость звука возросла или в консерватории что надо подправить... В этом случае акустическая система, расположенная на открытом воздухе, звука создавать не будет. Но это – на открытом воздухе. А у нас, в автомобиле, динамическая головка, не возбуждая волн, станет исправно то сжимать, то растягивать воздух в салоне: поршень автомобильного насоса занимается примерно тем же, если заткнуть дырку у шланга пальцем. Как понимает уважаемый читатель, человеческому уху совершенно все равно, что является причиной изменения давления в слуховом проходе – волновой процесс или что-либо другое. Итак: в замкнутом объеме звук может существовать и в отсутствие звуковых волн!
Вот еще пример. Головка с объемным смещением диффузора на частоте 100 Гц, равным 0,1 дм3 (скажем, диффузор площадью 3,3 дм2 и с ходом 0,3 мм), развивает звуковое давление около 5 н/м2, на наши деньги – 108 дБ. Здесь речь пока идет о волне, наблюдаемой с расстояния 1 м. А в автомобиле с объемом салона 2 м3 такая головка, помимо возбуждения волны, будет еще и сжимать-разжимать весь воздух в салоне в пропорции 0,1 дм3/2 м3 = 5 x 10-5 атм. = 5 н/м2. Те же децибелы, только в профиль! Причем, независимо от расстояния. Теперь снизим частоту втрое. Если до резонанса головки еще далеко, то АЧХ сохранится плоской и давление волны не изменится и составит те же 108 дБ. Но (как мы покажем позже, а читатель наверняка наблюдал это неоднократно) со снижением частоты ход диффузора заметно возрастает. Не просто заметно, а со скоростью квадрата частоты, то есть в нашем случае – в 9 раз. Теперь объемное смещение составит 0,9 дм3 и вызовет давление сжатия-расширения не 5 н/м2, а 45 н/м2, то есть 126 дБ! Громкость звука радикально возрастет!
Итак: в замкнутых объемах, в первую очередь в любимом нами автомобиле, существует не один, а, по крайней мере, два механизма возбуждения звука. Чем ниже частота, тем удельная доля второго механизма весомее, так как объемное смещение диффузора больше. Это надо знать и понимать, а все данные из умных книжек примерять к своему автомобилю обязательно с учетом его ограниченного объема. Достижение давящего на уши баса в замкнутом объеме автомобиля – задача неизмеримо более простая, чем, скажем, в комнате (объем 50 м3) или в уже упомянутой консерватории (20000 м3). Если бы суть музыкального звуковоспроизведения сводилась лишь к созданию давлений, ой как бы просто жилось специалистам по звуку обычному и автозвуку! Однако затронутая невзначай тема, увы, предназначена не для сегодняшней беседы.

Разминка окончена.

И разминка имела смысл. Теперь мы знаем, что с поверхности диффузора слетают акустические волны и именно они представляют суть желанного для нас звука. Ясно, что диффузор – поверхность двусторонняя и каждая его сторона излучает свою волну. Если не принимать никаких мер, то в каждой точке пространства эти волны будут складываться, к несчастию, уничтожая друг друга. Ведь понятно, что если передняя поверхность движется от магнита, сжимая воздух, то задняя будет воздух растягивать! Так вот мы подошли к пониманию простейшего смысла акустического оформления.
В этом, простейшем, оформление – это чтобы нам не мешала задняя сторона диффузора. Очевидное акустическое оформление – это отгородка: бесконечный экран. Бесконечный, в смысле большой. Или замкнутый. Скажем, в автомобиле можно врезать головку в крышу, при этом пассажиры будут довольствоваться звуком, создаваемым одной стороной диффузора, а окружающие пешеходы – другой. Это можно запатентовать как способ повышения к.п.д. вдвое, если, конечно, пешеходы не станут возражать. Такое (вот именно такое) конструктивное решение бесконечного экрана применяется в очень частном случае: для демо-машин на всевозможных выставках и шоу, где, помимо большой громкости в салоне, коммерчески выгодно погрохотать и «наружу». В жизни обычных людей, не маркетологов, модель бесконечного экрана реализуется в виде закрытого ящика большого или очень большого объема, а в машине такой только один – багажник. Но это все-таки конечный объем, поэтому такой случай удобнее рассматривать как частную реализацию акустического оформления в виде закрытого ящика.
Закрытый ящик – наиболее часто применяемое акустическое оформление, и сегодня нам предстоит ознакомиться с ним в самых общих чертах.

Закрытый ящик

Нет сомнения, что с проблемой вредного излучения задней поверхности диффузора закрытый ящик справляется хорошо: нет излучения – нет проблемы. Однако воздух, содержащийся в закрытом ящике, при сжатии и растяжении его задней поверхностью колеблющегося диффузора изменяет свое давление в соответствии с предсказаниями еще Гей-Люссака и, в свою очередь, воздействует обратно на диффузор: заткните дырку у автомобильного насоса и нажмите на поршень как следует. А теперь отпустите поршень – правда, воздействует!
При очень больших объемах ящика относительное изменение объема за счет хода диффузора мало, и ящик выполняет функции бесконечного экрана. По мере снижения объема ящика упругость содержащегося в нем воздуха возрастает. Это нетрудно себе представить – теперь относительное изменение объема ящика, вызываемое перемещением диффузора, возросло, и амплитуда колебаний давления в корпусе АС – тоже. В какой-то момент, то есть при каком-то объеме, сжатый в одной фазе колебаний или растянутый в противоположной фазе воздух в ящике будет оказывать на диффузор такое же по силе воздействие, как и его собственный упругий (например, резиновый) подвес. Объем этого воздуха по определению принимается за эквивалентный объем динамической головки, обозначается Vas и является наряду с полной добротностью Qts и собственно резонансной частотой Fs одними из основополагающих ее параметров, именуемых параметрами Тиля – Смолла.
Надо сказать, что собственный резиновый (латексовый или другой упругий) подвес не несет в конструкции динамических головок каких-либо принципиальных функций. Упругость подвеса не входит как параметр в формулу для к.п.д. и во многие другие важные зависимости. Теоретически головка прекрасно сможет работать и без упругого подвеса, ибо переменный сигнал сам по себе обеспечивает как отклоняющее, так и возвращающее воздействие. На практике же подвес необходим так же (и для того же, в сущности), как пружина на входной двери. Чтобы всегда можно было найти дверь в известном месте и в известном положении...
В зависимости от того, насколько объем закрытого ящика меньше, чем Vas, упругость воздуха в нем играет ту или иную роль. Например, головки, предназначенные для работы в свободном пространстве (free air), имеют, как правило, довольно мощные высокоупругие подвесы, обеспечивающие вместе с центрирующей шайбой необходимые прочностные механические свойства: кроме как на механическую упругость головке free air надеяться не на что.
Наоборот, головки, предназначенные для установки в закрытые ящики небольшого объема, могут иметь весьма мягкие подвесы, и необходимые механические характеристики обеспечиваются упругостью воздуха, заключенного в замкнутом объеме АС.
Преимущества последнего случая очевидны: характеристика самой хорошей, самой каучуковой резинки нелинейна, и знает об этом любой стрелявший в детстве из рогатки или носящий трусы. А воздух в своей упругости линеен, в роли пружины он не имеет равных, особенно если процесс его сжатия-растяжения оказывается изотермическим и закон Гей-Люссака p1V1 = p2V2 выполняется. Иногда закрытый ящик такого типа называют системой с воздушным подвесом. Если сжатие-растяжение сопровождается изменениями температуры с частотой подведенного сигнала, то есть процесс оказывается не изотермическим, а адиабатическим. То есть теплообмен между воздухом внутри корпуса акустической системы и окружающей средой отсутствует, и температура воздуха меняется в такт колебаниям диффузора, повышаясь при сжатии и понижаясь при разрежении. Здесь уже линейность воздуха как источника упругости становится неидеальной, потому и придумали способ вернуть процесс к изотермическим условиям. Делают это путем заполнения АС материалом с высокой теплопроводностью при высокой теплоемкости, например сверхтонковолокнистой минеральной ватой. Если при этом диффузор будет двигаться внутрь корпуса, сжимая воздух, адиабатический нагрев воздуха в корпусе АС приведет к активной теплопередаче «воздух – вата»: вата поглотит часть тепла, воздух согреется меньше. Обратный процесс – диффузор растягивает воздух. Воздух пытается остыть, а согревшаяся за предыдущий этап вата его нагревает. Температура воздуха в результате теплообмена стабилизируется, процесс в большей степени походит на изотермический, линейность воздушного подвеса растет. Именно поэтому частичное заполнение корпуса низкочастотной АС ватой эквивалентно увеличению объема ящика. Температура воздуха внутри колеблется в меньших пределах, как будто ящик больше по объему и колебания давления в нем меньше. Динамическая термостабилизация – это главная (хотя и не единственная) задача, решаемая с помощью волокнистого заполнения внутреннего объема АС.
Системы закрытого типа с акустическим подвесом нашли широчайшее применение в аудиокомплексах самого различного назначения, в том числе и автомобильных. Часто применяют термин «закрытый ящик компрессионного типа», подчеркивая тем самым большую роль упругости воздуха в ящике. У этого типа акустического оформления (как и у любого другого, да и вообще, как у всего в это мире), есть преимущества и недостатки.

Итак, преимущества систем с акустическим подвесом:

– исключительная простота в расчете и отсутствие предпосылок к совершению грубых ошибок;
– отсутствие необходимости ограничения спектра подаваемых на АС сигналов внизу: ниже резонансной частоты головки, установленной в АС, амплитуда смещения ее диффузора, возрастающая до этого со снижением частоты со скоростью 12 дБ/окт., перестает расти так быстро (а при некоторых обстоятельствах и вовсе падает), что исключает случаи аварийно высоких смещений, свойственных, например, фазоинверсному оформлению;
– система с акустическим подвесом оказывается системой второго порядка, иными словами, АЧХ, ФЧХ и другие характеристики таких систем эквивалентны фильтру верхних частот второго порядка. Такие фильтры в меньшей, нежели фильтры других, более высоких порядков, степени, склонны к искажению формы несинусоидальных сигналов, в связи с чем звучание на реальной музыке, особенно при воспроизведении записей акустических инструментов, нередко приводит к предпочтению экспертами закрытых систем другим типам.

Недостатки систем с акустическим подвесом:

– безвозвратная утеря энергии излучения задней поверхности диффузора. Использование этой энергии, например в системах с фазоинвертором, позволяет добиться многих преимуществ, скажем, расширить АЧХ вниз при прочих равных условиях;
– зона резонанса для таких систем практически всегда оказывается в полосе воспроизводимых частот. Это было бы не страшно, но амплитуда колебаний диффузора, постоянно растущая со снижением воспроизводимой частоты, к моменту резонанса достигает угрожающе высоких значений. Опасности механической аварии в этом случае нет, но величина нелинейных искажений в системе может резко возрасти, если механический (резиновый) подвес выходит на нелинейный участок или ход электрической катушки в магнитном зазоре превышает допустимое значение. Это самый серьезный недостаток закрытых систем.
Существуют и другие как преимущества, так и недостатки закрытых АС, однако они не носят принципиального характера.

Фазоинвертор

Теория фазоинвертора, если по-взрослому, довольно сложна. Сложность эта объясняется спорностью адекватных моделей и громоздкостью их математических интерпретаций. Однако простейшие попытки объяснения принципов функционирования фазоинвертора при правильных подходах уже способны удовлетворить даже любознательного читателя. Именно такими попытками мы сегодня и занимаемся.
Итак, представим, что в корпусе закрытой АС проделано отверстие и туда вставлена труба. Теперь подадим на такую АС сигнал очень низкой частоты, настолько низкой, что воздух в корпусе может считаться несжимаемым. При очень низкой частоте все процессы будут происходить очень медленно. Движению диффузора внутрь корпуса будет соответствовать неспешное вытекание воздуха из трубы, а если диффузор сменит направление движения, то труба начнет, как слон, неторопливо и обстоятельно всасывать воздух. Результат такого режима плачевен: звука – никакого, диффузор, не ощущающий упругого воздействия со стороны воздуха, должен полагаться лишь на помощь своего собственного упругого подвеса, чтобы при самых низких частотах его ход не стал аварийно высоким.
Теперь начнем постепенно повышать частоту. По мере роста частоты (то есть ускорения происходящего) станет заметен все нарастающий фазовый сдвиг, провоцируемый конечной упругостью воздуха в ящике: диффузор гонит воздух внутрь ящика, ему бы вытекать из трубы да вытекать, но масса воздуха в трубе, будучи инерционной, станет сопротивляться ускорению, в результате диффузор в какой-то степени станет сжимать-разжимать воздух в корпусе, а колебания давления станут достигать трубы фазоинвертора уже с запаздыванием, по-умному – с фазовым сдвигом.
На какой-то частоте растущий фазовый сдвиг достигнет 180о, и движению диффузора внутрь корпуса будет соответствовать не вытекание, а всасывание воздуха трубой! На этой частоте и слегка вокруг нее свойства АС с фазоинвертором станут достаточно любопытными. Во-первых, излучение трубы (а труба как источник движущихся воздушных масс обладает не меньшей способностью к излучению, чем колеблющийся диффузор) сложится с излучением диффузора, в отличие от случая очень низких частот, когда они вычитались, будучи противофазными. С этих позиций часто утверждают, что энергия излучения задней поверхности диффузора, безвозвратно теряемая в закрытых АС, теперь излучается посредством трубы, правда лишь вблизи рассмотренной только что характерной частоты. Модель несколько иная, но если от такого представления становится легче – бога ради. Давайте, однако, не отвлекаться – в корпусе АС сейчас такое творится! По мере приближения к заветной частоте колебания давления внутри АС неизмеримо возрастают по сравнению со случаем закрытой АС: ведь теперь одновременно и диффузор сжимает (растягивает) воздух, и труба всасывает (выталкивает) дополнительную порцию. Скажем, если диффузор имеет объемное смещение 1 дм3, а труба одновременно всасывает 3 дм3, то амплитуда создаваемого давления учетверяется! Пропорции вполне реальные, между прочим. Можно догадаться, что теперь движущийся диффузор встречает значительно большее сопротивление сжимаемого (или растягиваемого) воздуха, а значит, способен отдать этому воздуху больше энергии (скажем, в вакууме диффузор никакого сопротивления не встречает и потому никакой энергии никому не передает).
В результате характер процесса заметно меняется: диффузор, колебаниям которого теперь активно мешают, совершает лишь очень незначительные движения, но и их в сложившихся условиях оказывается достаточно для того, чтобы амплитуда колебаний плотности воздуха в АС была очень большой за счет огромной производительности трубы.
При дальнейшем повышении частоты нарастающий сдвиг фаз опять нарушит синфазность излучения трубы и диффузора, но интенсивность излучения трубы, заключающей в себе немало инерционного воздуха, с ростом частоты падает, и скоро из-за инерционности воздухе в трубе она становится совсем непрозрачной и не препятствует излучению диффузора, как будто трубу заткнули.
Итак, там, где у закрытой АС наблюдался резонанс и амплитуда колебаний диффузора резко возрастала, в фазоинверторе – совсем другая картина. Диффузор как бы передает свои обязанности излучателя трубе, амплитуда его колебаний снижается в десятки раз, роста искажений, характерного для закрытых систем, на резонансе не наблюдается. Исследования показывают, что в отличие от закрытого ящика, где интенсивность излучения (а с ним и АЧХ) левее резонанса спадают со скоростью около 12 дБ/окт., излучение и АЧХ системы с фазоинвертором могут на протяжении еще достаточно протяженного участка частотной оси оставаться постоянными, что и позволяет акустикам говорить о расширении АЧХ в низкочастотную область. Это расширение достигается во многом благодаря излучению трубы, однако и левее по частоте, когда эффективность излучения трубы падает, амплитуда колебаний диффузора растет достаточно быстро, что позволяет в ряде случаев отыграть у природы еще 2 – 3% частотной оси, пока противофазное излучение трубы окончательно не испортит картину.
Спад АЧХ фазоинверсного акустического оформления при снижении частоты ниже частоты настройки оказывается довольно крутым – из-за резко наступающей противофазности излучения трубы и диффузора. Система теперь описывается дифуравнением четвертого порядка, такой же порядок имеет эквивалентный ФВЧ, и, соответственно, спад АЧХ в низкочастотную область имеет порядок 24 дБ/окт.

Суммируя изложенное. Преимущества фазоинвертора:

– резкое снижение искажений на резонансе в связи с рассмотренными причинами. Это – главное преимущество. Все остальные имеют относительный характер. Если бы не было этого главного, целесообразность использования фазоинверсного акустического оформления в высококачественной аппаратуре была бы поставлена под сомнение в связи с его многочисленными недостатками;
– преимущества с точки зрения к.п.д. К ним надо относиться осторожно. Если и в закрытой АС и в фазоинверторе использовать одну и ту же головку, преимущества довольно эфемерны. Конечно, там, где АЧХ системы с фазоинвертором еще плоская, а у закрытого ящика – уже спад, к.п.д. фазоинвертора будет неизмеримо выше, но в области плоских АЧХ величины к.п.д. совпадут до третьего знака. А вот если прировнять частоты среза или даже оставить за фазоинвертором некоторое преимущество и применить оптимальные головки (критерии оптимальности требуют отдельного обсуждения), различные для закрытого ящика и фазоинвертора, разница в к.п.д. может достичь двух раз!

Недостатки фазоинвертора:

– сложность в расчете. Пока этот факт придется принять на веру, однако одно навечно приставшее к фазоинвертору словечко «BoomBox» (в вольном переводе – «бубнилка») говорит о том, что далеко не все разработчики в ладах с расчетом;
– явление раздемпфирования на самых низких частотах. С этим явлением противофазного излучения трубы и диффузора, отсутствия воздействия упругого воздуха на диффузор (демпфирования) и резко, иногда аварийно возрастающей амплитуды колебаний мы только что познакомились. Единственный надежный способ противодействия – ограничение спектра подаваемых частот снизу, подтональный фильтр (subsonic) в усилителе становится крайне желательным;
– гораздо большая, нежели в закрытых системах, вероятность получения посредственных фазочастотных характеристик в связи с возрастанием порядка эквивалентного ФВЧ. Хотелось бы раз и навсегда убедить читателя, что хорошие ФЧХ, хорошие импульсные характеристики в фазоинверсном оформлении достижимы, но это требует умения, усилий, а иногда и жертв.
– труба не идеальный излучатель – она шипит, присвистывает и много чего еще непотребного может. С этим опять-таки можно бороться, но умеючи.
– с фазоинвертором – еще масса проблем. Часть из них имеет принципиальное значение, часть – нет. Но об этом – в следующий раз.

В следующем выпуске рубрики: основные параметры динамической головки и их физический смысл. Основные параметры громкоговорителя (к.п.д., электрическая и акустическая мощности) и их связь с параметрами Тиля – Смолла. Как рассчитать закрытый ящик и фазоинвертор и почему это сделать не просто. Как быть страждущему хорошего звука автомобилисту...

Ричард Смолл (Richard H. Small) родился в 1935 году в Сан-Диего (США, Калифорния), в 1956 году стал бакалавром, а в 1958-м – магистром в Массачусетском технологическом институте по направлению электричество (electrical engineering). С 1958 по 1964 год работал в исследовательском центре фирмы Bell & Howell. После кратких рабочих визитов в Норвегию и Японию переехал в Австралию, где в Сиднейском Университете получил ученую степень доктора философии (1972) за законченные исследования динамических акустических систем прямого излучения. Всемирную известность получил уже в возрасте 37 лет благодаря ставшим классическими исследованиями акустических оформлений, где обобщил и творчески переосмыслил накопленный до него опыт. Ныне живет и здравствует, ведет активную научную, консультационную и производственную работу.
А.Н. Тиль (A.N. Thiele) Смоллу не родственник, а коллега. О нем – в следующий раз.

Источник: журнал Автозвук, 02/2001. Константин НИКИТИН