Понятия. Своим путем, или сабвуфер, который будет басить вовремя

От редакции: Большая часть материалов этого номера основана на письмах читателей. Или же ими вдохновлена. А вот эта статья пришла в редакцию по почте целиком, со всеми картинками, графиками и прочими пирогами. Вот так вот по–простому с седых уральских гор поступило добрых 7 мегабайт плотно утоптанного архива. Но будь этих мегабайт хоть семьдесят, материал того стоит: перед нами пример действительно сознательного подхода к проектированию сабвуфера. Не просто «сыграет — не сыграет», а до тонкостей, заранее зная, что нужно, а чего — ни-ни, да еще на самой что ни на есть толковой технологической основе.
Эта статья призвана помочь начинающим сабостроителям рассчитать и построить фазоинверторный саб, который будет воспроизводить бас вовремя (не раньше и не позже, чем надо) и при этом не извести 3 кубометра ДСП и (или) фанеры. (Здесь я никого конкретного не имею в виду. Так, Дебюсси навеял...)
Предположим, что читающий это уже некоторое время варится в котле с названием «сar аudio», т.е. знает некоторые краеугольные камни, на которых, собственно, сам котел и стоит. (Под камнями я понимаю ответы на такие вопросы, как «Что такое саб», «Чем отличается закрытый ящик от фазоинверторного», «Где скачать JBL Speaker Shop», «Как обмерять параметры динамика», «Что такое прогрев динамиков».) Если нет – надо получить ответы на эти вопросы в тематических Интернет-конференциях, журналах или на многочисленных Интернет-сайтах по тематике.
Ну, для начала – немного лирики. Концепция будущего саба вырисовывалась так:

1. Саб должен иметь разумные размеры, дабы не съесть весь объем маленького багажника автомобильчика «Нива» 21213 – там еще кроме него надо ездить резиновой лодке, палатке и дюжине удочек. Рыбу ловить, понимаешь... Что, нельзя, что ли?

2. Саб должен играть в достаточно узком диапазоне – где-то до 60 Гц, выше уже играет фронтальный бас.

3. Саб должен быть фазоинверторным – к такому звуку привык автор.

4. Саб не должен горбить (по крайней мере, на слух) – мне же им не рыбу глушить, мне бы им слушать (и не рэп).

5. Саб не должен запаздывать – таких друзей я слышал, неприятно.

6. Диффузор(ы) динамика(ов) неплохо бы акустически нагрузить клином – другие делают, мне тоже интересно.

7. Если ничего не выйдет с фазоинверторным оформлением и клином, саб должен максимально просто превратиться в банальный закрытый ящик с приемлемой добротностью.

8. Саб должен быть дешевым, потому как если вдруг и закрытый ящик не выйдет – сделать на нем шашлык и построить нормальный, проверенный вариант на дорогом динамике.

Как он (саб) много должен, оказывается...
В качестве головок были выбраны две «отечественные восьмидюймовочки» (каламбурчик) 35ГДН1-8 производства г. Новосибирск. Почему две? Какой уж саб на одной головке с чувствительностью ~87 дБ/Вт, 1м и сопротивлением 8 Ом? А так – обе головки включены параллельно, и сопротивление становится 4 Ом, площадь диффузора опять же удваивается. Цена, правда, тоже удваивается, но от этого не перестает быть смешной – за пару восьмидюймовых низкочастотных головок, на которых построена добрая треть акустических систем отечественного производства – $21.6 по курсу ММВБ на момент написания. Если к моменту выхода этой статьи в свет колебания курса отгрызут цент-полтора – запишите на мой счет, я сегодня щедрый.
Головки были куплены, сразу же обмеряны лично и тщательно. Даже лучшим изготовителям верить не всегда можно. А здесь репутация как бы совсем неподтвержденная. Получилось вот что:

Тут сразу руки зачесались подставить полученные параметры в JBL Speaker Shop (что же насчитает мудрая американская программа?). Вот что мудрая выдала:
ФИ (красная линия) объем 156 литров – Кошмар!

Зелеными линиями на графиках обозначен диапазон, который я хотел бы слушать. Тоже не впечатляет. Горб – жуткий, групповая задержка – и того ужаснее... ЗЯ, конечно, получался без проблем (желтая линия), но первоначальная цель была куда как благороднее...
Опыт работы с этой программой у меня уже имелся, и не было повода ей не доверять – обычно все сходилось, т.е. как на дисплее виделось, так потом и ушами слышалось. Поэтому картинки-страшилки меня не обескуражили, можно было поиграть параметрами (объемом ящика, частотой настройки порта, заполнением ящика, наконец).
Динамики были совершенно новые, не размятые. Было ясно, что в процессе разминки (или прогрева – кому как нравится) их параметры изменятся. А ФИ – штука капризная. И решил я их «погреть». А именно: унес в соседнюю малообитаемую комнату, подвесил в воздухе на тросик и подал на них с генератора через усилитель сигнал с частотой 32 Гц (т.е. ~Fs) и амплитудой такой, чтобы диффузоры двигались на 2/3 хода. И оставил так на двое суток. Параметры действительно изменились – снизилась до 30 Гц резонансная частота, Qts (добротность) – до 0,5, а вот Vas (эквивалентный объем) остался без изменений.
Пока динамики зудели, я, используя первоначальные данные, виртуально гнул кривые АЧХ и ФЧХ, меняя объем опять же виртуального ящика и частоту настройки столь же виртуального порта. Хотелось максимально приблизиться к идеальному сабу, т.е. временная задержка меньше 6 миллисекунд во всем рабочем диапазоне, АЧХ и ФЧХ – плоские полки. Понятно, что реально так не бывает, но стремиться-то надо...
Вообще-то, задача (с точки зрения математики) не очень сложна, всего два фактора подлежат варьированию: резонансная частота ящика без порта и резонансная частота порта. Остальное изменить невозможно (если, конечно, динамики не переделывать). Чтобы понять, как каждый из двух параметров влияет на систему в целом, очевидно, что необходимо зафиксировать один и варьировать второй. Затем – наоборот. Что и было проделано.
Далее я буду использовать параметры уже прогретых динамиков. Это ничего не меняет принципиально, во всяком случае, не столь значительно. Просто вдруг кто-то решит пошагово проделать то же самое, а графики будут отличаться... Итак, «замораживаем» частоту настройки порта на резонансной частоте динамика 30 Гц (это просто стандартное решение: такая частота настройки порта не позволяет динамику работать вразнос на собственной резонансной частоте – диффузор почти стоит на месте, работает порт) и начинаем плавно уменьшать объем ящика. Гора – уже знакомый нам объем 150 литров, долина – 20 литров, а то, что между ними – 35 литров. Обнадеживает серединка?


Далее я буду использовать параметры уже прогретых динамиков. Это ничего не меняет принципиально, во всяком случае, не столь значительно. Просто вдруг кто-то решит пошагово проделать то же самое, а графики будут отличаться... Итак, «замораживаем» частоту настройки порта на резонансной частоте динамика 30 Гц (это просто стандартное решение: такая частота настройки порта не позволяет динамику работать вразнос на собственной резонансной частоте – диффузор почти стоит на месте, работает порт) и начинаем плавно уменьшать объем ящика. Гора – уже знакомый нам объем 150 литров, долина – 20 литров, а то, что между ними – 35 литров. Обнадеживает серединка?
Теперь посмотрим, что там с фазой происходит: самая крутая кривая – 150 литров, самая пологая – 20. 35 литров – между ними. Эффект налицо – с уменьшением объема ящика (а значит, повышением его собственной резонансной частоты) фазовая характеристика в нашем диапазоне (и в нашем случае) улучшается.
Смотрим на график групповой задержки. В рабочем диапазоне – 3 линии: самая крутая – 150 литров, нижняя – 20, между ними – 35 литров. Какая приятная полочка на среднем графике, 3/4 рабочего диапазона звучат одновременно... Эту полочку для полного счастья еще бы вниз на 7 миллисекунд опустить... Или систему координат на столько же поднять... Ну да ладно, расстояние от уха водителя до саба планировалось чуть больше метра, может, и так неплохо будет.
Далее, «замораживаем» объем на 35 литрах и примеряем различные фазоинверторы: 20, 25, 30, 35 и 40 Гц.
Вот как это выглядит.
Что видим? Видим, что с портом, настроенным на 20 Гц, групповая задержка в рабочем диапазоне выглядит вполне пристойно – неравномерность всего-то 2 миллисекунды с копейками. Вот только порт длинноватый получается – при диаметре трубы 8 сантиметров длина составит 1 метр 8 сантиметров.
Остается только проверить, что там с закрытым ящиком получается при объеме 35 литров. А получается все достаточно прилично: добротность 0,86, АЧХ – гладкая, групповая задержка – тоже приемлемая. Все, можно переходить к конструированию собственно ящика.
Выбор материалов – дело вкуса. Я остановился на 20-миллиметровой березовой шлифованной фанере. А на порт пошла картонная труба от рулона плоттерной бумаги формата А0.
Все дальнейшие конструкторские изыски происходили в 3D – пространстве программы «АвтоКАД». Сначала оформилась идея.
Ящик специально был отрисован стеклянным – чтобы видно было внутреннее устройство. Планировалось, что ящик поместят за задним диваном в «Ниве», причем клиновая часть будет выступать над верхним срезом дивана, а рупор направлен в лобовое стекло. Считается, что клин добавляет 3 – 4 дБ звукового давления. Чем меньше угол раскрытия, тем больше прирост давления, но за счет снижения качества звука. Картинка была разослана единомышленникам электронной почтой для обсуждения конструкции. Угол раскрытия в ходе обсуждения выбрали 35 градусов.

Ящик подвергся небольшой корректировке, стал «фанерным». Никакого упрочнения стенок изнутри я категорически делать не хотел. Также не хотел применять всяческие материалы для вибродемпфирования, так как считаю, что того же результата можно добиться другими методами, а именно уменьшением площади деталей. Обратите внимание, у ящика всего две стенки большой площади – передняя и задняя. Все остальные – узкие, а значит, жесткие (есть такая наука, сопромат называется, однако...). А большим стенкам я впоследствии добавил жесткости. Переднюю прикрутил восемью болтами М4 к стальному (1,5 мм(!) + ребра жесткости) каркасу заднего дивана, а на заднюю повесил усилитель – ящик стал глухой.
Далее ящик был «разобран» на отдельные детали, которые образмерили. Кто не следил за мыслью, напоминаю: и стеклянным, и фанерным, и собранным, и разобранным до сих пор ящик был только в виртуальном пространстве программы «АвтоКАД». Ну, это как в том кино, где Деми Мур Майклу Дугласу пакости делает и файлы стирает, а он в шлеме на голове в виртуальности бродит и на нее саму компру ищет. Название забыл. Но, в общем, тут то же самое, только без шлема и сексуальных домогательств со стороны начальницы. Однако виртуальная реальность нас затягивает. Вернемся в реальный мир вещей и пиломатериалов. Пилить фанеру лобзиком совсем не хотелось – при обилии углов, отличных от прямых (обусловлено кособокостью ящика), то еще удовольствие. На помощь был привлечен старинный друг (в прошлом авиамоделист, а ныне плотник, жизнь всему научит), который и ОТФРЕЗЕРОВАЛ все детали из фанеры, обеспечив идеальную собираемость конструкции и легкопрессовую посадку порта. Это – для возможной быстрой замены на порт с иной резонансной частотой или на пробку для трансформации в закрытый ящик в случае провала первой фазы наступления.

Собирался ящик на саморезах 50 мм длиной, расстояние между соседними – 70 мм. Стыки проклеены ПВА. Саморезы вкручены непосредственно в торец фанеры, никаких брусков не надо – если фанера хорошего качества, она прекрасно держит саморез. Ящик – в машину, сразу на место. Включаем. Играет. Сразу стало слышно, что «вовремя» – УДАЛОСЬ.
А дальше было много возни с настройкой – отслушивание как музыкального материала, так и тестовых дисков, подбор частоты настройки фазоинвертора. Прижился тридцатигерцовый – с ним на слух получилась максимально линейная АЧХ при прослушивании третьоктавных полос розового шума с настроечного диска. Сверху диапазон обрезался на частоте 50 Гц пятым порядком (последовательно кроссоверы двух усилителей – второй порядок и третий).
А вот ЗЯ – не получился. Как уже упоминалось, в фазоинверторе диффузоры динамиков стоят на месте при работе на частоте настройки порта. А в случае ЗЯ этого не происходит, и катушки динамиков начинают стучать о дно зазора – превышен запас свободного хода диффузоров динамиков. Вывод: нельзя эти динамики ставить в ЗЯ, плохо им там.
После всех экспериментов и окончательной настройки усилителя саб был одет в черный карпет и окончательно (намертво) закреплен на своем законном месте.
Вот что вышло по приборам: красные линии – границы среза кроссоверов в системе.

Замер по SPL: 125 дБ без слышимых искажений на песенке «Rough Ride» Сэра Пола Маккартни с альбома «Flowers In The Dirt», 1989 год.
Произведение, конечно, не самое SPL’ное, но именно такого рода музыку и предстоит дальше отыгрывать этому ящику. Громко, чисто и вовремя...

Послесловие редакции:

Если у всех налито – за Дмитрия Безбородова, он же Dimus. К гонорарной ведомости пришпилен постоянный пропуск на страницы «АвтоЗвука» для новых материалов автора.

Дмитрий БЕЗБОРОДОВ (a.k.a. Dimus), г. Екатеринбург

Источник: журнал Автозвук, 07/2000.