Понятия. Механика эмоций. Свежий взгляд на цифры и звуки

МЕХАНИКА ЭМОЦИЙ

Свежий взгляд на цифры и звуки

От главного редактора: Не люблю ездить в Питер, но иногда, как выясняется, ездить всё же стоит. В один из таких редких вояжей случилось дольше, чем обычно, потолковать с моим давним знакомым Вадимом Карельским (Respectable Sound), человеком, известным своими нетрадиционными разработками в области электроакустики. Так получилось (раньше не получалось), что времени было достаточно у нас обоих, и разговор удался. Фаза «ну что там у вас» была пройдена за первые десять минут, и уже к концу первого получаса мне довелось услышать доказательство того, например, что способность динамика к передаче эмоций напрямую связана с его чувствительностью. Или про то, что происходит с ударом в барабан, когда он проходит через звуковую катушку в виде, как нам кажется, своей точной электрической копии. Или... одним словом, ещё через полчаса мы договорились о серии статей про это и другое, где Вадиму будет дана полная возможность поделиться с читателями «A3» своим видением практической электроакустики. Видением, мне лично крайне интересным. Не сомневаюсь, что в этом ко мне присоединятся и многие читатели.

Как измерить «прёт — не прёт»?
Спасибо, дальше я сам. Собственно, преамбулой материалов, которые мы запланировали, должны быть доходчивые слова о том, для чего это самое car audio. Первая попытка сформулировать идею привела к необходимости изучения мнения мирового сообщества музыковедов по поводу эмоционального воздействия музыкального материала на человека как духовную субстанцию и как реально существующий организм.
При этом сразу выяснилось, что в этом жбане одно говно в виде кварт, квинт, ритма, высоты тона и прочей дребедени. Среди 270000 ссылок 99% про это, и только 1% касается исполнителя, причем обсуждается в основном верхнее ля или что-то похожее.
Довелось обсудить эту тему и с действующими звукорежами, которые работают на живых концертах, разумеется — не попсы. Сошлись во мнении, что если этих самых эмоций нет в начале всей цепочки, т.е. в артисте, то их уже не будет нигде и никогда — ни на виниле, ни на CD, и уделом аудиофилов и меломанов будет выслушивать скрип стула под первой скрипкой.
Опыт показывает: эмоции начинают переть из артиста, когда он находится в измененном состоянии сознания, чего собственно и ждут от него зрители-слушатели. К артистам в данном контексте мы можем отнести и музыканта, и певца, и писателя, и хоккеиста, и изобретателя, и установщика car audio, в общем — любого творца, которого самого должно плющить от проделанного.
В отношении музыки, пения и кино — если где-то и когда-то тебя попёрло, то первым делом нужно, придя в нормальное состояние, понять, где попёрло, почему попёрло, и попытаться это повторить. Конечно, живой концерт не повторишь, но звукозапись совсем другой случай — здесь такая возможность есть.
Для каждого организма это могут быть сугубо индивидуальные и музыка, и исполнители, профессионал, который занимается звукотехникой, должен иметь для себя эту лакмусовую бумажку, чтобы определить, может он родить что-либо путное или дело кончится поносом с долгими и нудными убеждениями себя и других в том, что это шоколад.
Имея в голове такой инструмент, можно достаточно точно определить уровень системы и всех ее компонентов, меняя любое из звеньев тракта, можно сразу оценить его качество: если не прёт — то дерьмо, если прёт дольше и сильнее, то — лучше. Путь к обладанию таким инструментом долог и тернист, и не столько потому, что отдает шаманством и мистикой, сколько потому, что конфеты делаются из шоколада, и, увы, главным образом из него. Состав оборудования для достижения нужных ощущений может быть как брэндовый за десятки тысяч уёв, так и из дивайсов неопределенного происхождения с трудной судьбой — важно, чтобы их авторы понимали, для чего они превратили детали и комплектующие в готовые устройства. А цель может быть только одна: принести радость пользователю. Собственно, радость души и пёрлово — синонимы.

Все ли средства хороши?
Есть ли связь между понятиями «прёт — не прёт» и теми техническими характеристиками, которые можно измерить? Короткий ответ: есть, конечно. Ответ короткий и потому практически бесполезный. Есть проблема методов и средств измерений, есть вопрос о том, что измерять и как распоряжаться результатами. Надеюсь, никто не будет возражать, что зрительный и слуховой аппарат человека на голову, несопоставимо выше по возможностям, чем самые совершенные средства измерений, все попытки обмануть наше ухо проваливаются раз за разом. Именно поэтому уже многие годы последней инстанцией в оценке качества звучания являются результаты субъективной экспертизы, уже в ранние периоды хай-фая и хай-энда были замечены расхождения между очень высокими объективными характеристиками и грустным качеством звучания.
Здесь необходимо заглянуть в далекое и не совсем прошлое электроакустики, основные теоретические положения которой были разработаны в 30 — 40-х годах прошлого века. Разрыв между теорией и практическими устройствами достиг огромной величины по той простой причине, что созданные математические модели громкоговорителей в силу своей упрощенности и условности позволяют производить расчеты только очень ограниченного набора параметров, в основном не имеющих отношения к тем вещам, о которых было сказано выше. До появления цифровых методов измерений деградация в сфере практических приложений стала настолько очевидной, что вместо состязаний в ублажении человеческого уха началось жонглирование объективными характеристиками и изощренность в рекламе и менеджерских ужимках.
Цифровые методы поначалу применялись для измерений традиционных АЧХ, ФЧХ, нелинейных искажений и т.п., и хотя это не принесло особых достижений, доступность компьютерных измерений рядовому пользователю и разработчику систем создала иллюзию, что таким образом можно оценивать и сравнивать качество звучания. Однако скоро опять выяснилось, что система, имеющая идеальную АЧХ, может звучать пошло и нудно и что слушать на ней можно только синус или косинус, что не особенно интересно.
В 90-х годах группа английских товарищей, среди которых был известный разработчик студий Фил Ньюэлл, настрочили работу уровня докторской диссертации, где основной задачей было выяснить: какие объективные параметры связаны с характером (не с качеством) звучания среднечастотных громкоговорителей. Почему среднечастотных? А потому, что в этом диапазоне ухо самое разборчивое, и потому, что звуки можно воспроизвести в ОДНУ полосу, без фильтров и прочей мишуры. Испытательными сигналами служили натуральные звуки: шум дождя, грозы и т.п. Громкоговорители, которые использовались для экспериментов, были различных типов: электростатические, диффузорные, с сотовыми конусами, рупорные, магнепланары и проч. Образцов было несколько десятков, разных производителей. В процессе эксперимента, после прослушивания экспертами, производилась сортировка по схожести характера звучания.
На втором этапе были измерены все возможные объективные акустические и электрические характеристики: АЧХ, ФЧХ, НИ, импеданс, waterfall, ГВЗ, и оказалось, что громкоговорители, схожие по характеру звучания, имели радикально отличающиеся и АЧХ, и фазовые характеристики, и нелинейные искажения, только развитие отклика на единичный импульс во времени дало искомое совпадение. Таким образом, было достоверно доказано, что характер звучания главным образом определяется импульсно-временными свойствами громкоговорителей. Дальнейшие исследования в этой области показали, что современное состояние подавляющего числа громкоговорителей с этой точки зрения находится в зачаточном состоянии и работа только начинается.

Работа начинается
Практическое изучение степени влияния импульсных свойств на характер, здесь вновь нужно отметить: не на качество, а именно на характер звучания громкоговорителей и акустических систем, показало, что без понимания основных процессов, происходящих при приложении напряжения музыкального или речевого сигнала к клеммам электродинамического преобразователя, невозможно не только заниматься разработкой электроакустических устройств, но и инсталляцией оных дома и в автомобиле.
Искомое понимание заключается не в глубоком убеждении того, что проводник с переменным током будет двигаться туда-сюда в зазоре с магнитным полем, колыхая диффузор, это втолковали уже в средней школе. Суть в том, что каждая из деталей громкоговорителя, вплоть до болтов крепления рамы к магнитной цепи, вносит свои особенности в работу громкоговорителя, приводя в конечном итоге к всхлипываниям типа «играет —- не играет».
Однако прежде чем перейти к рассмотрению влияния импульсных и переходных характеристик, попробуем на пальцах, а не при помощи витиеватых эквивалентных схем и вытекающих из них нежизненных математических моделей и формул, разобраться в происхождении параметров Тиля — Смолла, их измерения и осмысленного применения к динамико- и системостроению. Итак, вот основные из них.

1. Частота основного резонанса подвижной системы, именуемая Fs — продукт взаимодействия гибкости и массы подвижной системы, которая может конструктивно изменяться как традиционными, так и необычными способами.
К традиционным относятся: увеличение или уменьшение массы подвижной системы, изменение гибкости верхнего подвеса или центрирующей шайбы, создание дополнительной продувки подшайбового и подколпачного обьемов и т.п.Эти методы применяются с определенными целями: например, если необходимо спроектировать головку, которая сможет работать в малом объёме с низкой частоты — уменьшается гибкость и центрирующей шайбы, и верхнего подвеса с одновременным увеличением массы диффузора или колпака. Можно отчасти получить тот же результат, изменяя в таком параметре, как BL, соотношение между величиной индукции в зазоре и объёмом провода в этом же зазоре, т.е. в большой зазор затолкать много провода большого сечения и большой массы. Однако наряду с кажущимся выигрышем в объеме ящика система приобретает такие изменения, которые в дальнейшем невозможно компенсировать никакими ухищрениями, излюбленными в кругу аудиофилов, типа подбора усилителя, проводов, головного аппарата... Разница между ними в характере звучания будет настолько малозаметна, что экономическая целесообразность использования дорогих, а главное — качественных компонентов станет ничтожна.
К этим неисправимым изменениям можно отнести плохую управляемость за счет плохого соотношения массы подвижной системы и BL, большое время затухания собственных колебаний подвижной системы, повышенную электромеханическую компрессию (неспособность воспроизвести фронт импульсного сигнала), повышенные механические потери в толстых (для жесткости) подвесе и шайбе, что приводит к потере мелкой и даже средней структуры в низкочастотном диапазоне, снижение КПД головки. Последнее означает необходимость использования усилителей высокой выходной мощности и очень низкого выходного сопротивления (а это очень дорогие усилители).
Кроме того, громкоговорители с большой массой подвижной системы имеют еще одну очень неприятную особенность. Представьте себе: на громкоговоритель в процессе воспроизведения музыкальной программы пришел короткий мощный импульс, который привел к максимальному смещению подвижной системы, далее под действием собственной упругости звуковая катушка на максимальной скорости пролетает положение своего равновесия, создавая максимальное значение ЭДС противоиндукции, которое должно рассеяться на низком выходном сопротивлении усилителя. Всё бы хорошо, но в этот момент (а в музыкальном сигнале это
частое явление) приходит импульс противоположной полярности, и громкоговоритель будет иметь входное сопротивление не 8 Ом, а раз в 5 — 8 раз ниже, образуя для усилителя нагрузку 1 — 1,5 Ом. Это явление называется динамической просадкой импеданса. Типичный автомобильный усилитель по измерениям показывает величины выходного сопротивления от десятых долей до нескольких Ом, и он не в состоянии остановить переходные колебания подвижной системы, которые накладываются на полезный музыкальный сигнал. Что в результате — одному богу известно.
Что происходит в громкоговорителях с сопротивлением 2 Ом и ниже, можете себе представить сами. Вот только этого не могут представить авторы таких разработок, проводящие измерения на синусе, когда таких процессов не может быть в принципе. Напоследок нужно отметить, что эти явления известны с 80-х годов, и нужно было плохо учиться, чтобы их не знать. А ведь это лишь малая часть того, что имеется в виду под физикой процесса работы громкоговорителя.
Что касается нетрадиционных способов управления резонансной частотой — это специальные пропитки шайб и подвесов, использование дифференциальных схем включения двух звуковых катушек в одном зазоре или в двух зазорах, когда за счет разнонаправленного тока в обеих катушках (от, скажем, средней точки) можно при неизменной массе и гибкости подвижной системы уменьшить Fs практически до нескольких герц. Похожего эффекта можно добиться конфигурацией и величиной магнитного поля в зазоре, сочетанием определенных соотношений размеров магнитного зазора и звуковой катушки, что, в свою очередь, позволяет создать громкоговорители с необходимым для конкретного случая сочетанием параметров: чувствительность, резонансная частота, добротность, диапазон частот.
Позже (но в рамках этой же серии статей), при подробном анализе отклика громкоговорителя на единичную функцию, будет показана, доходчиво, как в учебнике арифметики с картинками под редакцией Пупкина, разница в поведении тяжелых и легких подвижных систем.

2. Механическая добротность Qms, определяет механические колебательные свойства подвижной системы громкоговорителя, без влияния электрического торможения катушки с током, движущейся в магнитном поле, выходным сопротивлением усилителя мощности. На первый взгляд Qms является далеко не основным параметром динамика, но на то он и первый взгляд...
Многочисленные восторженные отклики апологетов довоенных образцов громкоговорителей, таких как Telefunken, Blaupunkt, Goodmans, RCA, заставили поинтересоваться, что же такого необычного есть в конструкции и материалах этих произведений человеческого ума, кроме, конечно, духа индийских монахов и пота немецких инженеров, как утверждает один мой земляк. Недолгие и несложные исследования образцов показали: все они отличаются от современных громкоговорителей именно величиной механической добротности Qms, составляющей от 12 до 17, в то время как у большинства современных динамиков она 4 — 7, а у некоторых — 2 — 3.
Поскольку некоторые из довоенных страдали определенной дряхлостью (оно и понятно — даже фашист не вечен), были проведены операции по реанимации пациентов. Эти операции касались, главным образом, верхних подвесов, именно они жадно требовали новой жизни. Все попытки заменить тонкие, дышащие на ладан подвесы идентичными по массе и гибкости подвесами из современных материалов неукоснительно приводили к уменьшению Qms почти в 2 раза. Сравнительное прослушивание переделанного образца в паре с его братом, чудом пронёсшим девственность через десятилетия, показало: разница в характере звучания заключалась в потере микроструктуры, в появлении этакой вальяжности, стягивании виртуальных источников к центру системы и постоянной поимке себя на попытках думать не о звуковых образах, а о гастрономических изысках каннибалов, т.е. не на тему.
Дальнейшая работа была направлена на поиск возможных побочных причин появления описанного эффекта, который мог заключаться и в свойствах клеевых швов и в пропитке подвесов. Поэтому с целью исключения влияния клея подвижная система закреплялась к раме только механически. После длительных деформаций мозга и интенсивного рукоблудия (как в известном стишке про химика) были найдены составы пропиток для тканевых подвесов и шайб, которые позволили получить Qms до 18, после этого сравнительное прослушивание выявило практически идентичное звучание пациента и его нелеченого собрата.
Общее изучение остальных характеристик и деталей конструкции показало, что никаких особенных изысков нет, всё построено на логике и здравом смысле: очень легкий (менее 5 г) тонкий бумажный диффузор, высокая индукция в зазоре магнитной цепи, построенной на основе кобальтового магнита, маленькая катушка и, как следствие всего этого — высокая чувствительность (105 дБ/1 Вт/1м), полная добротность Qts 1,2, что есть оптимум для открытого акустического оформления. А им и являлся корпус лампового приемника Telefunken, послуживший донором звуковоспроизводящего органа. Кстати, к работе громкоговорителей в открытом оформлении, или free air, как умничают ныне, мы еще вернемся, когда будем говорить об особенностях работы ГГ в различных акустических конструкциях, однако можно утверждать, что при прочих равных условиях лучше, чем в экране, ГГ звучать нигде не будет.
На основании сказанного (и сделанного) можно с уверенностью заявить, что при прочих равных условиях ГГ с высокой механической добротностью станут звучать более разборчиво, с лучшей и более точной прорисовкой пространственной картины, а главное — более музыкально. Происходит это за счет более точного воспроизведения микроструктуры звукового сигнала и сохранения динамического баланса между малыми, средними и высокими уровнями. Как узнать величину Qms у приглянувшейся головки? Добросовестный производитель её может сообщить и добровольно, с остальными придётся немного помучиться. Совсем, впрочем, немного: взгляните на импедансную характеристику головки, записанную в свободном поле. Чем выше и острее пик импеданса на резонансной частоте — тем больше Qms. Вот пример из моей практики: кривые импедансов двух ГГ 12 дюймов с сопоставимыми АЧХ BL Re, Fs 30 и 45 Гц соответственно. Обычно чем ниже Fs, тем выше Qms, здесь же все наоборот, из-за разного состава пропитки только верхнего подвеса. А вот примеры из того самого журнала, который вы сейчас читаете. У Velas значение Qms равно 2,9, у Canton — 6,6. При этом Fs практически одна и та же, а значения полной добротности Qts и силового фактора BL близки. Как это выглядит на картинке, вы теперь знаете.
Таковы первые факты, которыми я хотел с вами поделиться. Первые из многих. До следующего номера.

Источник: журнал "Автозвук", № 10/2007, текст и измерения: Вадим Карельский