Понятия. Чем заполняют закрытые ящики.

Если вы подумали, что это продолжение старой, но не утихающей по сей день бодяги про синтепоны, активированный уголь и прочее, то ошиблись. Хватит старый синтепон ворошить...

Крюкотворство

Провоцирующим фактором для этого небольшого (пока) исследования стала история про германского автозвукового спортсмена Майка Крюка, первое упоминание о безумном творчестве которого есть в материале о еврофинале EMMA («А3» №1/2009). А именно — о том, что с целью (как утверждал безумец) оптимизации условий работы мидбасовых динамиков их боксы заполнялись газом, по характеристикам намного отличающимся от воздуха. Несложные следственные действия выявили название газа (оно длинное — гексафторид серы) и химформулу (она короткая — SF6), а одновременно породили вопрос: а кто это, собственно, придумал? И когда? И зачем, ведь единственный известный на тот момент случай применения альтернативного воздуху газа в акустике был явно бессмысленным: использованный Крюком Focal 13 WS спокойно работает в закрытом объёме 3 — 5 л и без всяких извратов.
То, что это придумал не Крюк и даже не его раз в пятьсот более образованный приятель Элмар Мишелс, подавший идею о SF6 (так короче, верно?), интуитивно было ясно. И косвенно подтвердилось довольно скоро: я рассказал об этой истории Дмитрию Свободе, который прореагировал немедленно: «Помню, лет 15 назад тащили мы с Гайдаровым баллон с этим гексафторидом из Нижнего Новгорода, намучились тогда: в багаж не берут, с собой в кабину — тем более не пускают...» Идея-то, оказывается, мягко говоря, не вчерашняя. А когдашняя? Или более общо: предлагалось ли из акустических соображений использовать в акустическом оформлении что-либо отличное от воздуха? Ответ ясен и до его поисков: наверняка. Тогда остаётся: когда, кем, зачем и как в широком, глобальном смысле.

Гексафторид, будь он неладен

Отметим сразу: все изобретения, касающиеся замены воздуха в акустическом оформлении чем-нибудь ещё, делались с единственной целью: сделать оформление более компактным. А почему оно некомпактное (пока для выделения сути идеи говорим о ЗЯ, хотя часть предложенных в разное время нововведений была применима и к ФИ)? Потому что чем меньше объём закрытого ящика, тем более жёстким становится «воздушная пружина» — упругость воздуха в ящике, работающая параллельно с упругостью подвеса головки. А это означает неизбежное повышение резонансной частоты головки и незамедлительно — нижнего предела её частотного диапазона. Жёсткость объёма газа зависит от нескольких характеристик среды: показатель адиабаты Cp/Cv, скорость звука и плотности. Пока внутри ЗЯ оставался главным образом воздух, светлые умы воздействовали в основном на первую из упомянутых характеристик, именно она изменяется при заполнении ящика всякими волокнистыми материалами или хоть активированным углём, как это делает KEF. Но были и другие предложения, выходящие за пределы воздушной среды. У уже не раз упомянутого SF6 плотность ровно впятеро больше, чем у воздуха, а скорость звука в нём меньше в 2,5 раза.
Именно последним обстоятельством обусловлены эффектные (и совершенно безопасные) фокусы с вдыханием SF6, после этого и до самоочистки лёгких вдохнувший говорит на октаву с лишним ниже, чем собирался. Арифметика простая: длина волны в SF6 меньше, чем в воздухе, в те самые 2,5 раза, и все резонаторы, имеющиеся в голосовом аппарате простого смертного, оказываются настроенными на частоту в 2,5 раза ниже.
Но вернёмся к акустике. Самое первое упоминание о магическом газе, какое удалось найти, относится к 1957 году. Автор, некто Герберт Салливан, полвека назад писал прямо и открыто: «Внутренний объём ящика или рупора заполнен тяжёлым газом, таким, как SF6». Задачей изобретателя было при сохранении геометрических размеров ящика с обычной динамической головкой понизить резонансную частоту, а в случае рупорного громкоговорителя — сделать рупор более коротким при сохранении всех акустических характеристик. Для этого газом (уже знаете, каким) заполнялись все объёмы, соприкасающиеся с излучающим элементом, а чтобы удержать газ внутри рупора или перед диффузором динамика, предлагалось выходное отверстие и там и там затягивать гибкой плёнкой, газонепроницаемой, но прозрачной для звука. Если в лом, продолжал мистер Салливан на прекрасном английском, можно закачивать газ только внутрь ящика, он даже заботливо пририсовал на всех эскизах заправочный штуцер. Эффект при этом, правда, он обещал меньший (рис. 1).

Например: в ящик кладётся транзисторный приёмник (в 1968 году это было как сейчас iPod, только без наушников. — Прим. для мол. читат.), в ящик из баллона буквально заливается газ, который существенно тяжелее воздуха, поэтому никуда не девается. Айзман-мл. утверждает: «Даже нетренированные слушатели единодушно отметили значительное улучшение качества звучания». А на экспериментальной установке, изображённой на рис. 2, он получил и АЧХ, где отметил улучшение воспроизведения как низких, так и высоких частот. Верхняя кривая — исходная, средняя — когда губительный для озонового слоя газ закачан за динамик, нижняя — когда находится и перед диффузором, а чтобы не выдуло сквозняком, сверху натянута тонкая лавсановая плёнка.
Есть и другие предложения по замене воздуха другими газами, разной степени невнятности. Как ни парадоксально, гораздо более здравые, а главное — испытанные на практике, инновации гораздо радикальнее. Там воздух заменяют другим, но уже даже не газом...

...и газовый конденсат

Раньше объём его добычи сообщался в программе «Время» в сумме с нефтью. Теперь как-то молчат. А мы — поговорим. Начнём, как в программе «Время», с новостей по стране, потом — к международным. Несколько лет назад на выставке «Российский High End» была показана разработка нашего соотечественника Ивана Воженина. Маленький, не по размерам динамика, сабвуфер играл как большой, самым таинственным и впечатляющим образом. На вопрос, как, мол, так, изобретатель отвечал, что внутри — особая среда, не имеющая с московским воздухом вообще ничего общего, а какая — он нипочём не скажет, секрет, патент, geben Sie mir bitte, а то нипочём не скажу. Однако Иван Никитич взалкал не только национальной, но и международной славы и богатства и потому зарегистрировал своё изобретение и за рубежами любимой родины. А там разговор простой: запатентовал — вот пусть все и посмотрят, что запатентовал.

И вы взгляните, это — рис. 3. Корпус, динамик, это понятно. Из непонятного: 4 — это некая жидкость, налитая в корпус; 5 — результат её испарения, причём — в насыщенном состоянии. А позиция 3 — комбинация теплового аккумулятора с радиатором.
Как всё это работает (на этот раз — работает, а не «должно было бы»)? А вот как. Возвращаемся к треклятой упругости воздуха в ящике. Она ведь, собственно, как проявляется? Вот пошёл, к примеру, диффузор назад, уменьшая объём воздуха у себя за спиной. Давление там выросло и толкает его в спину, мешая движению. Если ящик большой, изменение объёма на процент и давление поднимет на процент с копейками, толкает несильно, жёсткость невелика, частота резонанса поднимается мало. В маленьком ящике такое же смещение диффузора изменит объём уже на пять, скажем, процентов, настолько же сильнее будет и противодействие возросшего давления внутри. Все «газозаменители» боролись за то, чтобы одно и то же изменение объёма вызывало изменение давления поменьше. Но всё, чего они могли (в идеале) добиться — добавлением заполнителей или даже заменой газа, — измерялось первыми десятками процентов. Но нашлись и радикалы, вот — самый яркий пример, другого такого нет. Один швейцарец (фамилия есть в редакции, сейчас значения не имеет) предложил разорвать связь между объёмом и давлением с помощью современной электроники. Покусился, можно сказать, на священные узы, благословлённые Бойлем, Мариоттом и другими служителями науки.

Он предложил учудить такую вещь: в корпусе громкоговорителя (рис. 4) стоит быстродействующий датчик давления. Пошёл диффузор назад, как в прошлом примере, пошло вверх и давление в корпусе, датчик это почуял и подал команду на коррекцию давления. Этот сигнал усиливается и подаётся на звуковую катушку другого динамика, помещённого в дополнительный закрытый объём, совсем маленький. Его диффузор тоже пошёл назад, ровно настолько, чтобы изменение давления оказалось минимальным (теоретически — нулевым, но всегда есть ошибка управления). Вспомогательному динамику, у которого объём собственного закрытого ящика совсем невелик, придётся преодолевать гораздо более сильное сопротивление: жёсткость его «воздушной пружины» огромна. «А наплевать, — говорит изобретатель. — Усилитель позлее — и пусть старается. Он здесь — обслуживающий персонал, оптимизирующий работу основного динамика». Это — сверхрадикальное решение, теоретически, если считать, что нет ни ошибок в системе управления, ни инерционности, такая конструкция означает объём закрытого ящика, эквивалентный бесконечному независимо от его физического объёма. На непримиримую борьбу с Бойлем и Мариоттом брошены умная электроника и дополнительные затраты энергии. Это, как и было сказано — экстремальное решение методом грубой силы. То, что предложил Воженин, а как мы вскоре увидим — не совсем он один, куда более изящно.
Здесь борьба с законами газового состояния идёт без затрат энергии извне. Идея следующая. Надо найти такое вещество, которое при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении могло находиться в состоянии равновесия «жидкость — насыщенный пар». При современном развитии химии это заведомо возможно. Такая двухфазная смесь находится себе внутри ЗЯ. Тишина, спокойствие, сплошное равновесие. Тут приходит меломан, включает музыку, и равновесию — кранты. Вот вновь, в который раз сегодня, трудолюбивый диффузор пошёл назад, уменьшая объём уже не воздуха, а пара внутри корпуса. Давление внутри начинает было расти, но при повышении давления начинается конденсация пара в жидкость, с уменьшением объёма в сотни раз. Сконденсировались десять кубических сантиметров пара, а получился раз в семьсот меньший объём жижи на дне. А раз газа (ну пара, он по-своему тоже газ) стало меньше по объёму, значит — и давление почти что не возросло. Пошёл диффузор вперёд от нейтрального положения. Давление внутри упало, возникшее разряжение должно бы диффузор тянуть назад, но тут на пониженное давление реагирует жидкость, энергично кипя, часть её превращается в пар, восстанавливая равновесие. Понятен механизм? На всякое изменение объёма, вызванное движением диффузора, среда внутри отвечает своим, вызванным повторяющимися актами конденсации и испарения, строго в противофазе.
Кто до такого додумался? Я уважаю отечественных изобретателей, но скептический опыт злорадно шепчет в ухо: «эт вряд ли». Изобретательство — дело такое. Появилось в устройстве что-нибудь «отличающееся тем, что...», и привет, считается — новая разработка. В конструкции, разработанной (и проверенной, отметим) Иваном Вожениным «отличающееся» — тепловой аккумулятор с развитой поверхностью теплообмена, оптимизирующий процесс фазовых превращений. А ещё кто-нибудь в этом направлении работал? А как же...

Что было, что будет

Одно, косвенное упоминание о таком методе манипуляции объёмом ЗЯ уже появлялось на страницах этой рубрики, правда — вскользь. Возможность использования двухфазного заполнения объёма громкоговорителя упоминал в своём патенте 1978 года Юджин Червинский (по прозвищу Cerwin-Vega!. Восклицательный знак — обязателен, иначе он не откликается).

Видите (рис. 5), там и жидкость, и газонепроницаемая плёнка вокруг динамика, и даже устройство для доведения жидкости до рабочей температуры. Владельцам ламповой техники не привыкать. Но там это было «а также в случае, когда...». А за год до этого некто Джеймс Отт прямым текстом указал на фазовые превращения как на главный предмет изобретения.

Там (рис. 6) жидкость и насыщенный пар, в который она должна была превращаться в такт с трепетом диффузора, помещались в мягкий мешок на дне корпуса громкоговорителя и тоже доводились до рабочей кондиции подогревателем, включавшимся от датчика звукового давления. Вот, значит, когда это было придумано. Тридцать лет назад, да с гаком. Дальнейшие поиски уточнили размер гака.

На приоритет в парожидкостной акустике претендует и Philips (рис. 7). Там (это 1963 год) двухфазную смесь поместили в нечто вроде сильфона. Гак увеличился, но, как оказалось, не достиг окончательного размера в сорок лет.
1938 год. Ещё до войны, но уже при Гитлере инженер фирмы Telefunken Gesellschaft m.b.H. Эрих Тинхаус нарисовал эту милую картинку (рис. 8) и сопроводил её подробными объяснениями. Я читал на английском, поскольку Тинхаус запатентовал своё детище и в США — изумительная литература, и крайне поучительная. Например, loud-speaker ещё писалось через дефис (с момента изобретения того, что мы называем «динамиком», к тому моменту миновало 9 лет), зато в тексте встретился термин high-fidelity, тоже через дефис. Существо дела оказалось именно такое же, как и спустя семь десятилетий. Только вместо закрытого ящика, который, как вам известно («А3» № 2/2006) вошёл в обиход только в 50-х, речь шла о громоздких акустических экранах и корпусах, но открытых. Изобретатель посетовал, что хорошо бы, конечно, закрыть динамик сзади, чтобы блокировать акустическое короткое замыкание. Да вот беда, нельзя — там воздух, он, он, гад, жёсткий, а дальше — резонансная частота... Ой, нет, такого выражения ещё не было. «Natural period» — ну не прелесть?
Вот и давайте, предложил немец, сделаем совсем маленькую коробчонку, а за диффузор нальём жидкость, которая будет со своим насыщенным паром находиться в мире и согласии. И не будет никакого изменения давления при каждом ходе диффузора, и «естественный период» останется какой был. А привлекшая ваше немедленное внимание кривая трубочка (она не могла не привлечь, больше на рисунке и нет ничего) — это средство настройки системы под действующее атмосферное давление. Без всякой электроники, просто туда вода залита.
Так длинными зимними вечерами удалось выяснить: есть средства радикального решения проблемы габаритов низкочастотной акустики. Хитрые, труднейшие в реализации, но есть. Некоторые были даже доведены «до железа». Другие — ждут своих героев...

Источник: журнал Автозвук, 03/2009. Текст: Андрей Елютин