Понятия. Право на пересдачу. Сладкие мифы и горькая правда об акустических свойствах салона на низких частотах

Сколько отпущено жизни car audio, столько будут правильных людей мучить правильные вопросы. Правильные люди — это те, для которых звук в автомобиле измеряется все-таки прежде всего в герцах, децибелах, ваттах, потом — в литрах и миллиметрах, затем — в часах и неделях (зависит от производительности труда) и уж совсем потом — в баксах и этих, как их там... ну, на которых Большой театр нарисован.
А правильные вопросы? Они меняются с течением времени. Сначала — «что поставить, чтобы играло?», потом — «что лучше, Crunch или HiFonics?». И, наконец, «как рассчитать сабвуфер, который будет играть как надо?» Вот с этой ноты и начнем. Законы природы требуют в беспокойном внутреннем пространстве автомобиля хорошего, мощного баса. Так положено, и слава богу. Деликатное басовое попукивание, уместное в домашней ламповой системе, в машине останется просто незамеченным в силу известных особенностей этой среды прослушивания. На практике, однако, мощным бас в машине оказывается чаще, чем хорошим. А так не положено.
Домоседам легко живется: частотная характеристика колонок, снятая в свободном пространстве и опубликованная в солидном издании, более или менее точно будет перенесена и в уютную домашнюю обстановку. Ну, там плюс-минус поближе к стене, подальше, это уже мелкие брызги. Акустика автомобильного салона влияет на воспроизведение басов самым фундаментальным образом. На уровне способа их воспроизведения, не побоимся такого сильного утверждения.
Все дело здесь в том, что басовая акустика, излучающая могучие низкочастотные звуки внутрь салона, работает в пространстве, размеры которого сравнимы с размерами излучаемых звуковых волн. И это в корне меняет акустическую реакцию внутрисалонного пространства, частью которого являемся и мы, многогрешные, ибо сидим в его пределах.
От неучета этого сильнейшего эффекта или хотя бы от недостаточного внимания к нему на раннем этапе сознательной деятельности «правильного человека» возникает желание сделать сабвуфер, который по всем расчетам будет играть аж до 20 Гц ровненько, как по линейке. Когда случается такому проекту быть реализованным (к счастью, не часто, это тоже не просто), результат становится сильнейшим разочарованием для его создателя. Акустическое чудо, перенесенное в салон, превращается в акустическое чудище в тот самый момент, когда захлопывается дверь машины или крышка багажника. Alles, господа, десять заповедей тут больше не действуют. В самом тяжелом, пиковом случае на этом этапе приходит понимание: автомобильный сабвуфер должен изначально проектироваться с учетом той нагрузки, на которую он будет работать. Чаще, волею аллаха, понимание происходит раньше, чем заметное количество дорогостоящих пиломатериалов изведено на мертвый проект.
Так что давайте разберемся. Для тех, кому эта публикация попалась на взлете, растолкуем, что есть «передаточная функция салона».* (*Вообще-то, правильное название ее — «акустическая характеристика звукопередачи». Но термин «передаточная функция» уже как-то прижился, так что плюнем на ГОСТ и будем пользоваться тем, что привычнее)
Тем, кто уже в полете, попытаемся ответить на больной вопрос: какую передаточную функцию закладывать в расчеты и насколько полученному теоретическому прогнозу можно доверять. Каждому свое, так сказать.
Итак, что происходит, когда в салоне реального автомобиля тяжко трудится громкоговоритель? На средних частотах (рис. 1) длина звуковой волны, излучаемая им, меньше даже самого малого линейного размера салона (как правило, высоты). Акустические волны, излучаемые громкоговорителем, распространяются внутри салона, как бегущая волна, отражаются от границ замкнутого пространства, возвращаются в излучателю, в общем — происходит веселая круговерть волн. На каких-то частотах волны становятся стоячими (это когда размер салона оказывается кратным длине волны), там возникают узлы и пучности звукового давления, но речь сейчас не о них. С понижением частоты приближается момент, когда даже половина длины волны излучаемого сигнала оказывается больше, чем самый протяженный размер салона (обычно, сами понимаете, длина). Вот этот момент и называется границей компрессионной зоны, в которой акустический отклик меняется радикально.

Смотрите: пока частота относительно высока, колебания воздуха, создаваемые динамиком, распространяются в виде волн. В одной точке — область повышенного давления, чуть поодаль, на расстоянии в полволны — пониженного. А когда частота настолько низкая (а длина волны настолько велика), что вдоль всей машины помещается меньше полволны, никто уже никуда не бежит. Создаваемое динамиком переменное давление меняется во всем пространстве салона синфазно: везде в сторону повышения или везде в сторону понижения, как будто динамик это насос, периодически накачивающий или, наоборот, откачивающий воздух из салона. Когда волна бегает туда-сюда, ведущую роль в формировании звукового давления играет колебательная скорость диффузора, а она, как предполагается, остается постоянной при подведении сигнала с горизонтальной АЧХ. А в пределах компрессионной зоны главным фактором становится амплитуда колебаний диффузора. А вот она с понижением частоты растет, что видел каждый, кто хоть раз смотрел на диффузор динамика «в деле».
Поэтому здесь возникает тот эффект, которым природа попыталась скомпенсировать хотя бы часть наших невзгод. В пределах компрессионной зоны звуковое давление, при одинаковой мощности подводимого сигнала, растет обратно пропорционально частоте, с наклоном характеристики 12 дБ/окт. Так гласит теория. Та же теория утверждает, что точкой перегиба АЧХ, ниже которой начинается ее подъем, является такая частота, половина длины волны которой ровно укладывается вдоль салона.
Многие, очень даже авторитетные, источники дают рекомендацию использовать такую модель и даже приводят формулу для вычисления частоты, ниже которой начинается подъем АЧХ. В метрической системе (большинство авторитетов в этой области оперирует имперскими футами) это получится так: f = 170/L. f здесь — частота, в герцах, понятно, L — длина салона в метрах. Поскольку кривые АЧХ не хворост, их об колено не ломают, то простейшей моделью передаточной функции будет кривая, похожая на ту, что на Графике 1 где-то поблизости. Хрестоматийная АЧХ фильтра второго порядка с добротностью, равной 0,707.
Сама по себе эта теория, равно как и описываемый ею эффект, — настоящее благословение, чего у нас так мало. Вот, к примеру, семейство АЧХ некоего абстрактного сабвуфера в виде закрытого ящика с различной нижней граничной частотой. В свободном поле (три нижние кривые на Графике 2), прямо скажем, не впечатляет. Крайняя левая (красная) — еще куда ни шло, спад начинается на 35 Гц. А крайняя правая — вообще закат, казалось бы, какой тут, на фиг, сабвуфер. Спад АЧХ начинается аж на 70 Гц. Теперь пересчитаем эти же частотки, но уже с учетом эффекта компрессии, приняв за граничную частоту компрессионной зоны значение около 65 Гц, для примера. Это, по теории, соответствует салону длиной около 2,5 м. Цифра — вполне реальная.
Смотрите, что выходит: правая, совсем, казалось бы, мертвая АЧХ превращается в гордую, ювелирно горизонтальную характеристику. А крайняя левая дает большой, что там — огромный подъем отдачи ниже 60 Гц. Почему так выходит — понятно. АЧХ закрытого ящика имеет спад с крутизной 12 дБ/окт. ниже граничного значения. А АЧХ салона — подъем такой же крутизны. Если два значения частоты совпали (как для зеленой кривой) — получается, по теории, полная взаимная компенсация и как результат — строгая горизонтальная прямая. В этом примере полная добротность динамика в оформлении Qtc была принята оптимальной, равной 0,707. Такой же, в пределах простой модели, мы считали и добротность передаточной функции салона. На деле, даже если оперировать простейшей моделью, добротность сабвуфера может отличаться от баттервортовской, и вблизи граничной частоты суммарная АЧХ «сабвуфер + салон» приобретет некоторую волнообразность. Такие АЧХ вы должны были видеть в наших тестах сабвуферов, где как раз использовалась вот такая, чисто теоретическая модель.
Тут надо сказать, что идеальная горизонтальная АЧХ не наилучшее решение. На слух такой звук даже в стоячей машине воспринимается скучновато, а на ходу — совсем тонет в инфранизких шумах качения. На практике басовую АЧХ всегда делают слегка приподнятой книзу. Тем более что, как мы вскоре увидим, там ей дадут укорот другие факторы акустической среды.
С сабвуферами-фазоинверторами получается повеселее. Там спад АЧХ ниже частоты настройки должен происходить с крутизной 24 дБ/окт. Поэтому, если частота настройки порта и граничная частота компрессионной зоны и совпадут, то суммарная АЧХ все равно будет иметь спад с частотой 12 дБ/окт. Правда, фазоинверторы всегда настраивают на более низкие частоты, ради этого их, собственно, и делают. Тут получается, что, пока АЧХ сабвуфера еще горизонтальна, передаточная функция поднимает характеристику. А потом, когда начинается спад АЧХ сабвуфера, идет завал суммарной характеристики. Результат — горб на суммарной характеристике. Горб будет всегда. Но каким он будет, зависит уже от большего числа параметров. Пример — семейство АЧХ фазоинвертора «в чистом поле» с разной частотой настройки тоннеля и то, как это трансформируется в салоне (График 3). От острого горба на 50 Гц до плавного подъема к отметке 20 Гц. «Say when», как говорят американцы, когда наливают.
Такой уровень выяснения отношений между частотными характеристиками сабвуфера и салона обычно закладывается в известные компьютерные программы расчета басовой акустики. Дается несколько значений характерной частоты передаточной функции: скажем, 50 Гц — для большой машины, 70 — для средней, 80 — для компактной. Или, кто пощедрее, рекомендуют посчитать самим по простейшей формуле: 170 поделить на длину салона в метрах и вот, — волшебная частота перед вами.
Здесь обычно возникают стандартные (хотя по-прежнему правильные) вопросы. Какая у меня машина — средняя или компактная? Это ведь где как считается. А если померить да поделить, то откуда докуда мерить? В хэтчбеке, от педалей до порога пятой двери или от спидометра до заднего стекла? В седане считать багажник отделенным от салона или — туда же, до кучи? И потом, если все так гладко, то почему что-то не много видно частотных характеристик, как на сладеньких графиках из предыдущих примеров? Да потому, что это все — теория, а она, как известно, не дает ответа, она дает направление на ответ.
Для сверки с практикой были последовательно, с использованием одного и того же сабвуфера, с досконально измеренной АЧХ в свободном пространстве, сняты реальные передаточные функции салонов нескольких типов автомобилей. Все основные типы кузовов ВАЗ плюс три заграничных хэтчбека разного размера.
Поскольку акустика салона влияет на звуковое давление внутри не только на самых низких частотах, но и на средних, измеренные АЧХ прошли на разной высоте над осью частот. Так как мы обсуждаем не абсолютное усиление звукового поля в салоне, а форму частотной характеристики этого поля, кривые свели к общему уровню, совместив их на отметке 80 Гц. То, что получилось — на Графике 4, перед вами. Не надо иметь ястребиный глаз, чтобы увидеть, что практические детали передаточной функции салона напоминают теоретическую кривую только в самых общих чертах. А подробности, подробности-то каковы! Откуда, спрашивается, такая затейливость практики в сравнении с аскетичной простотой теории? А вот откуда. Физическая модель, на которой базируется простейшая теория компрессионной зоны, представляет автомобиль в виде абсолютно жесткой трубы, словно вырубленной в скале, в которой отражают звук только торцевые стенки, а боковые — ни-ни.
Реальный автомобиль, во-первых, преисполнен отражающих поверхностей, а во-вторых, существенно нежесткий. Первый фактор в ответе за причудливые волны выше 100 Гц, где начинают гулять стоячие волны. Второй, нежесткость кузова, вызывает искажение АЧХ передаточной функции на нижних частотах, далеко внутри компрессионной зоны. Между 50 и 80 Гц все кривые ведут себя на удивление дружно.
«Нежесткость кузова» — выражение условное, поскольку являет собой два феномена.
Один — это мембранные колебания панелей кузова под действием пульсаций давления внутри. Вспомните, ведь в пределах компрессионной зоны давление пульсирует во всем салоне одновременно, поэтому тонкие стальные панели и стекла, закрепленные в упругих уплотнителях, дышат в такт колебаниям давления. Как это происходит, хорошо известно всем, кто хоть раз наблюдал соревнования по SPL: там колебания стекол и панелей кузова ощущаются рукой, а то и видны на глаз. При этом надо относиться с пониманием к тому, что каждая колеблющаяся деталь норовит еще играть на своей резонансной частоте, откуда и появляются на АЧХ характерные горбы и провалы.
Второй — влияние утечек, которое даже в расчетах сабвуферов предлагается учитывать коэффициентом Qb. Кузов автомобиля уж тем более эти потери имеет, и в достатке. Есть неизбежные щели и неплотности — раз. Есть предусмотренная умышленно система вентиляции кузова — это два. Все это дело начинает сказываться именно на самых низких частотах, в зоне компрессии. Причем чем ниже частота, то есть чем меньше ожидаемая скорость движения воздуха через прорехи — тем сильнее их влияние.
Два эти вместе взятые явления и несут ответственность за то, что на практике неуемный рост отдачи на самых низких частотах не реализуется никогда. Не редко, а именно никогда. Речь, правда, часто идет о частотах 20 — 25 Гц, это где кузов оказался достаточно жестким и герметичным. Но бывает, что уже на 30 — 35 Гц АЧХ далеко отходит от генеральной линии, предписанной теорией.
Как быть теперь, спрашивается. В смысле — куда крестьянину податься? По графикам для реальных машин получается, что с теоретической кривой АЧХ все равно попадаешь пальцем в небо. Но это пессимистическая точка зрения. Оптимистическая же такова: «Да, пальцем. Да, в небо. Но все-таки в небо, а не в землю, а это уже прогресс...»
Зарядившись оптимизмом, постараемся закрепить успех. Для начала мы попытались обобщить индивидуальные кривые, усреднив величины акустического усиления на каждой частоте. Получилась хоть и довольно непростая, но уже, во всяком случае, доступная для понимания кривая (черная на Графике 5). Там же нарисовали теоретическую кривую, как бы должно было быть по компрессионной модели. На третью кривую, синюю, пока не смотрите, об ней разговор особый. А вот эти две, «средняя по больнице» и теоретическая, оказались завидно близки в диапазоне от 40 до 80 Гц. Ниже 40 усредненная кривая заметно проседает по отношению к теории, а выше 80 Гц начинается такое, что ни в какие теории не вписывается.
В принципе, это уже готовый практический результат. Но, не доверяя даже себе, как предписывал покойный Мюллер, решили сравнить полученные результаты и уже оформившиеся рекомендации с теми, что дают классики жанра. В роли классика здесь выступил Том Нюзен — главный эксперт американского журнала «Car Stereo Review». Еще в 1996 году он опубликовал работу, где изучал переходную функцию салона, в основном с целью ответить на вопрос, влияет ли на уровень басов расположение и ориентация сабвуфера в багажнике. Ведь действительно, многие отмечают, что от того, где в багажнике установлен сабвуфер и куда направлен динамик, характер басов зависит очень сильно. Выводы Тома, причем не голословные, а подтвержденные огромным количеством измеренных характеристик, оказались довольно нетривиальны. Главные из них — два. Первый: на воспроизведение частот ниже 80 Гц положение сабвуфера практически не влияет. Второй: на АЧХ в полосе частот 80 — 100 Гц влияет, причем самым решительным и непредсказуемым образом. В качестве побочного результата своих изысканий Том сформулировал свои рекомендации по выбору расчетной модели передаточной функции, которая, по его мнению, является универсальной. Во всяком случае, он утверждал в своей статье, что с помощью предложенной им зависимости покрывается диапазон кузовов от Chevrolet Corvette (его личного транспорта в то время) до Ford Aerostar: примерно от «Таврии», стало быть, до почти что «Газели».
Том привел в своей статье таблицу, по которой можно построить универсальную кривую. Мы построили, это как раз — третья, синяя на рисунке. Размытым цветом обозначена «сумеречная зона» непредсказуемых результатов. В целом, как мы видим, получилось совпадение с нашими результатами почти что подозрительное. Даже выкрутасы на усредненной кривой (черной) пришлись именно туда, где, по словам американского гуру, им и положено быть. В терминологии классической теории компрессионной зоны универсальной кривой Тома Нюзена соответствует частота перехода 63 Гц при добротности Q = 0,9. У «нашей» теоретической кривой частота была такая же, а добротность — ниже, Q = 0,7.
Налицо, вроде бы, парадокс, кто внимательно читал. Начали с того, что передаточная функция напрямую зависит от размера салона. Типа за здравие. А закончили — универсальной кривой, в которой размер салона вообще не фигурирует. Как так? Все в порядке, товарищи, если посмотреть пошире да попристальнее. Как мы говорили, форма АЧХ (а не ее высота над осью частот) в диапазоне 40 — 80 Гц оказывается предсказуемой и особенно не зависит от ординаты точки перегиба. Размер салона должен был бы, по идее, определять форму кривой вблизи точки перегиба, определяя, где именно этот перегиб произойдет. А там, как мы убедились и сами, и благодаря подвигам Тома Нюзена, изящная теоретическая кривая все равно превращается в бурные волны, поэтому собственно момент перехода теряется в морской пене.
Так что давайте теперь вместе глядя на все предшествующее сформулируем выводы во всей прелести их практической применимости.

1. Мечтать о том, чтобы раздобыть где-нибудь настоящую, правильную, окончательную передаточную функцию своего автомобиля больше не нужно — выбирайте из меню. Меню не длинное, но, может, что подберете...

2. ...только смысла в этом особого нет. Не станете же вы рихтовать АЧХ сабвуфера в надежде попасть в особенности кривой передаточной функции?

3. На практике теоретической зависимостью пользоваться можно. Более того, можно упростить себе жизнь, ограничив себя одной-единственной кривой передаточной функции, на все случаи жизни. С таким подходом в пределы площадки, пользуясь спортивной терминологией, вы попадете. А точнее не попадете, какой бы индивидуальной ни была примененная вами кривая. Ведь именно там, где она начинает быть индивидуальной, начинается болтанка АЧХ, вызванная множеством факторов, не входящих в теорию компрессионной зоны.

4. На самых низких частотах ваша реальная АЧХ «отпадет» от теоретической и пройдет ниже. Насколько ниже — зависит от особенностей кузова и даже от его технического состояния. Повлиять на эту характеристику почти невозможно, ведь речь идет не о вибродемпфировании (вы ведь об этом подумали, признавайтесь), а о механической жесткости. А жесткость — это другая история. Посмотрите на боевые SPL-машины с их каркасами, стеклами на болтах и прочим. Посмотрите и забудьте. Доверьтесь судьбе.

5. Границы «болтанки» АЧХ на границе компрессионной зоны в большинстве случаев совпадает с областью деления полос между сабвуфером и мидбасами. Там-то и предстоят основные бои. Предстоит поиграть и месторасположением сабвуфера, и его ориентацией, не говоря уже о подборе частот разделительных фильтров. Поблагодарите тогда конструкторов кроссоверов, которые не поленились сделать ФВЧ и ФНЧ с раздельной регулировкой.

6. Басовый эквалайзер, когда он есть в усилителе, больше всего был бы нужен не на частотах 40 — 50 Гц, как чаще всего бывает, а на 25 — 40 Гц. Вот здесь с его помощью реально исправить АЧХ, проседающую от потерь на деформацию и утечки. Так что, если увидите такой (встречаются) — возьмите на заметку.

И в заключение. Если вы пользуетесь программами расчета сабвуферов, где передаточная функция салона задается в виде частоты точки перегиба, берите 63 Гц и ни о чем больше не думайте. Точнее все равно не станет. Если частоты и добротности — берите частоту такую же, а добротность — от 0,7 («наша кривая») до 0,9 (кривая Тома Нюзена). Кому больше доверяете.
И, наконец, если у вас есть программа, где акустика интерьера задается по точкам (например, JBL Speaker Shop или Bass Box от Harris Technologies), перенесите туда опорные точки передаточной функции по таблице внизу, а потом кликните дважды на 125 Гц для нормализации кривой.

Источник: журнал Автозвук, 08/2000.Андрей ЕЛЮТИН, Юрий ЕВТУШЕНКО