Вспомнить всё. Главный принцип автомобильного сабвуфера.

Главный принцип автомобильного сабвуфера.

Автозвук №3 2006г. Вспомнить всё.

Андрей Елютин.

На перекрестке двух частот.

Последний раз мы вплотную оце­нивали поведение динамика по параметрам Тиля — Смолла не­сколько месяцев назад, впору «вспоминать всё» по второму за­ходу, но не станем. Припомним лишь одну ключевую фразу.

Близко к тексту из «A3» №5/2005: «Для мидбасов, обречён­ных на работу во фри-эйрных условиях, параметры головки и будут финальными, а для сабвуфера параметры головки мы используем для расчёта, по которому делаем оформление, считающееся оптимальным».

Это означает, что мы эдак плавно и без помпы перешли к операциям с сабвуферным звеном автомобильной аудиосисте­мы, без которого не обойтись. Или не удаётся обойтись, или не хочется обходиться, или и то и другое. Но прежде чем пе­рейти к делу, зададим всё же для порядка вопрос: «А, собст­венно, почему?»

А ДЕЙСТВИТЕЛЬНО. ПОЧЕМУ?

Вопрос отчасти святотатственный, но всё же вспомним: самые заядлые аудиофилы (и примкнувшие к ним просто лю­бители послушать музыку) запросто обходятся дома колонка­ми с низкочастотными динамиками калибра (пользуясь на­шей терминологией) в те же 6 — 7 дюймов, что у нас стоят на фронте, и прекрасно себя чувствуют. Главных причин, по большому счёту, две, не велик труд их снова припомнить.

Первая: двери автомобиля вовсе не равноценны могучим корпусам домашних колонок, что с ними ни делай, и на самых низких частотах звуковое давление падает. Диффузор мидбаса (если его полоса частот ничем принудительно не ограничена) отчаянно трясётся, пытаясь изобразить басы, но они гибнут в утечках и нежёсткости тонкой стальной оболочки, и слыши­мым результатом становятся только искажения. Они, как и полагается гармоникам, выше по частоте, потому воспроизво­дятся прекрасно.

Вторая: в машине музыку слушают на более высоких ypoвнях громкости, в особенности — на низких частотах. Это обусловлено и несравненно более высоким уровнем внешне шумов, и просто традицией, которая может перевесить любовь физические закономерности. Насколько автомобилисты любят басы? Генерально мы ответ знаем: сильно любят. А точнее в децибелах?

СТАТИСТИКА ЛЮБВИ

В октябре 2004 года мы впервые стали измерять АЧХ п звуковому давлению в салоне автомобилей, попавших в рубрику «Системы». Данные измерений копились и продолжают копиться в виде файлов в формате анализатора Phonic РАА2 у которого есть, в числе прочего, и возможность осреднения снятых характеристик. И вот решили мы посмотреть, как будет выглядеть АЧХ, представляющая собой синтез деятельности профессиональных установщиков за полтора года. Глас народа — глас божий, в ходе осреднения многочисленные индивидуальные особенности и/или огрехи должны были сгладиться как статистические шумы, а общие тенденции — проявиться. Так что вот: впервые публикуется АЧХ, получена на основе примерно 80 частотных характеристик, снятых: полтора года.

Любопытная получилась картинка, повод для размышления о нравах, царящих в обществе. Но мы сейчас сосредоточимся на низкочастотной области. Общая тенденция: люд хотят иметь звуковое давление на низких частотах существа но выше, чем на средних. Если бы они не хотели, им бы таю АЧХ не делали. Пользуясь другими функциями РАА2, мы даже вычленили отклонение АЧХ на низких частотах от гори­зонтальной прямой. На частоте 40 Гц подъём «народной» АЧХ составил более 14 дБ. Что это означает? Предположим, что у вас такие волшебные мидбасы, что они способны обес­печить ровную АЧХ до 40 Гц. И к ним сейчас подведена мощ­ность всего-то, скажем, 5 Вт. Чтобы устроить такой подъём на басах, на 40 Гц подводимая к динамикам мощность долж­на оказаться примерно в 25 раз больше. Не 5 Вт, а 120 — 130. Реально? Нет, разумеется, у нормальных 6-дюймовых динами­ков допустимая по тепловому режиму мощность и та ниже, а задолго до неё искажения превысят все мыслимые пределы. Вот почему эта часть частотного спектра в автомобиле и оты­грывается специализированным динамиком, для которого сотня ватт не катастрофа, а нормальный режим работы.

Кстати, мы не удержались и выполнили такую же опера­цию, оставив в выборке только машины, занимавшие высокие места на автозвуковых соревнованиях. Как и ожидалось, «среднечемпионская» АЧХ выглядит куда скромнее «общена­родной».

Знакомые с прошлыми выпусками «В.В.» должны были бы заметить в приведенной логике признаки некоторого лу­кавства. Действительно, ведь есть же передаточная функция салона, благодаря которой именно в машине (то есть там, где этого требуют народные массы) АЧХ начиная с некоторой частоты идёт на подъём сама собой, без всякого вмешатель­ства со стороны человека. Хорошо, что заметили, действи­тельно, передаточная функция салона — истинная божья благодать для автоаудиолюбителей, не будь её — получить искомую характеристику даже с помощью сабвуфера было бы неимоверно трудно, а на высоких уровнях громкости (не будем забывать и об этой вкусовой особенности) — и вовсе невозможно. Однако факт наличия и бесперебойной работы передаточной функции не устраняет необходимости в от­дельном басовом звене, а просто предъявляет определённые требования к его проектированию и расчёту. Или надо на­помнить про передаточную функцию? Сейчас самое время, дальше без неё — никак.

МЕХАНИЗМ БОЖЬЕЙ БЛАГОДАТИ

Решили всё вспоминать, так давайте и будем всё. Итак, предсказано, замечено, объяснено теоретически и неукосни­тельно подтверждено практикой: если в салоне машины рабо­тает динамик, обладающий ровной горизонтальной АЧХ, то при снижении частоты сигнала начиная с некоторого значе­ния звуковое давление в салоне станет возрастать, притом что подведенная к динамику мощность остаётся неизменной. Ча­стота, начиная с которой это происходит, определяется разме­рами салона.

Здесь у некоторых получается неразбериха: компрессион­ный эффект, он же действие передаточной функции, бывает, путают с резонансами, возникающими в салоне. Для ясности давайте проделаем мысленный опыт. Пусть в салоне автомо­биля установлена акустика, на которую мы подаём сигнал скользящего тона. Начиная сверху. Пока частота сигнала вы­сока, звуковые волны короткие, они весело, со скоростью зву­ка, бегают по салону, отражаясь и поглощаясь на его грани­цах. Когда длина волны, возрастая со снижением частоты, начнёт быть сравнима с наименьшим© размером салона, это обычно его высота, возникнет стоячая волна, и в зависимости от того, где расположен слушатель, он может попасть в точку минимума или, наоборот, максимума интенсивности звуко­вых колебаний. Принципиально, что таких значений частот несколько (если только салон не имеет форму шара со слуша­телем строго в центре), а воспринимаемый слушателем (или микрофоном, если идут измерения) эффект существенно за­висит от их координат в салоне.

Движемся ниже по частоте. В какой-то момент длина волны станет столь велика, что даже половина её длины перестанет укладываться вдоль наибольшего (!) размера салона (это разумеется, обычно его длина). Вот с этого момента и начнется подъём АЧХ совершенно безвозмездно и безнаказанно.

Что именно произошло на этой волшебной частоте, почему произошло и как будут события разворачиваться дальше? Давайте в последний раз разберёмся, чтобы можно было считать вопрос закрытым. Для этого (снова мысленно, это вас утомляет?) по-суворовски возьмём волшебную частоту в клещи с двух направлений.

Начинаем наступление сверху. Идеальный динамик устроен так, что если к нему подводится постоянная мощность, на любой частоте выше частоты своего основного резонанса вплоть до верхней частотной границы, о которой сейчас будем говорить, потому что тема иная, создаваемое им звуковое давление будет постоянным. Это — идеал, разумеется, реальных АЧХ акустики мы видим, что там и сям проявляются разные подробности, но общий-то ход АЧХ именно таков если закрыть глаза на мелочи. А вот теперь вам придётся поверить мне на слово (чтобы избежать формул, пусть даже не очень мохнатых).

Звуковое давление, создаваемое динамиком в безграничном пространстве, пропорционально колебательному ускорению диффузора. Для того чтобы это ускорение оставалось постоянным при снижении частоты, колебательная скорое должна расти обратно пропорционально частоте (вдвое при снижении частоты на каждую октаву), а амплитуда колебаний диффузора — обратно пропорционально квадрату частот (то есть — вчетверо с каждой октавой при движении вниз по шкале частот.

Так это реально и происходит, что (пусть не количественно) можно увидеть совершенно невооружённым глазом. Подадим на динамик синусоидальный сигнал, скажем, 100 Гц, подняв уровень до такого значения, чтобы было хорошо слышно. Увидим: диффузор колеблется с двойной амплитудой эдак примерно в два миллиметра. Ничего не меняя, поднимем частоту до 200 Гц. Слышно, мягко говоря, не хуже, а колебания диффузора заметить уже непросто, амплитуда теперь составляет полмиллиметра. Поднимем частоту до 1000 Гц. Динамик орёт как потерпевший, а движение диффузора не увидит и соколиный глаз, их размах упал до двух сотых миллиметра. Значит, запомнили: в безграничном пространстве, в свободном воздухе, звуковое давление, создаваемое динамиком, будет постоянным, если амплитуда колебаний диффузора растёт вчетверо на каждую октаву снижения частоты. И только в этом случае.

Теперь пойдём с другого конца шкалы частот, снизу. Представьте себе, что динамик приделан снаружи к ящику, который в этом опыте будет изображать салон автомобиля (чтобы не портить дорогостоящее транспортное средство), диффузор колеблется на очень низкой частоте, ну, например 1 Гц. Или 5. Или 10. Ни о каком распространении звуковых волн внутри ящика, пусть он даже размером с автомобиль говорить не приходится, длина звуковой волны с частотой 10 Гц больше 30 м, а при частоте 1 Гц — и вовсе 340. Значит при колебаниях диффузора колебания давления в ящике-салоне происходит не путём распространения волн, а сразу всюду, точно так же, как если бы динамик был поршнем, а внутренность ящика — цилиндром. А теперь ответьте: как будет зависеть изменение давления в ящике от амплитуды колебаний диффузора? Разумеется, линейно, на каждый миллиметр движения поршня-диффузора объём внутри ящика изменится на одну и ту же величину, насос, одним словом.

Сопоставим результаты мысленных (к счастью) экспериментов на высокой и на крайне низкой частотах. Когда м: идём сверху, звуковое давление в салоне распространяется по волновому механизму, салон большой, волны маленькие, для них это, можно считать, бесконечный простор. Динамик доб­росовестно старается создавать на любой частоте одно и то же звуковое давление, а для этого с каждой октавой при движении вниз амплитуда колебаний диффузора возрастает вчетверо.

На низких частотах динамик пытается делать то же самое: при возрастании частоты на октаву амплитуда колебаний диффузора снижается вчетверо. Но здесь-то, как мы только что согласились, колебания давления в салоне (а это и есть звуковое давление) пропорционально первой степени ампли­туды колебаний диффузора, а значит, послушно падает вчет­веро с каждой октавой роста частоты. Или растёт (опять же вчетверо) при движении в обратном направлении.

Что такое изменение звукового давления в четыре раза на октаву? Это 12 дБ по звуковому давлению, отсюда эта знаме­нитая величина, собственно, и берётся.

Где-то эти две кривые (точнее, пока прямые) должны по­встречаться. Это произойдёт вблизи той самой волшебной ча­стоты, определяемой наибольшим размером салона.

Разумеется, все понимают: в природе не бывает так, что дошли до определённой частоты и как по команде всё стало по-другому. Здесь так далеко вниз от характерной частоты ра­ботает компрессионный механизм, когда звуковое давление пропорционально ходу диффузора. Намного выше этой час­тоты действует волновой механизм, когда звуковое давление пропорционально квадрату хода диффузора. Вблизи частоты, о которой мы говорим, один механизм постепенно уступает место другому. Постепенно, а в ходе этого процесса в салоне происходят и другие, так сказать, «плещут холодные волны, бьются о берег морской». Поэтому даже часто встречаемые картинки, на которых горизонтальный участок АЧХ салона, плавно изгибаясь, переходит в наклонный — тоже упрощён­ное видение картины, наши неоднократные измерения пока­зывают: в переходной области (на практике 75 — 100 Гц) са­лонная акустика предельно непредсказуема, и нам придётся действовать в рамках той или иной идеализации. Вплоть до предельной, но наглядной.

Но прежде чем перейти от некоего совершенно уже без­грешного динамика к более похожему на реальный, опреде­лимся с величиной частоты, на которой волновой механизм распространения звука в салоне уступает место компрессион­ному. Или — на которой начинается столь вожделенный на­ми подъём АЧХ без всяких усилий с нашей стороны.

Физически эта частота соответствует тому моменту, когда половина самой длинной волны, появившейся в салоне, пере­станет в этом салоне помещаться, хоть поперёк, хоть вдоль, хоть поставленная на попа. Реально это всегда вдоль, автомо­били всё же в длину больше, чем в остальных направлениях. Когда перестаёт помещаться полволны, это значит, что во всех точках салона давление среды (воздуха или его смеси с та­бачным дымом) в любой момент времени изменяется в одну сторону: или всюду повышается, или всюду понижается на следующем полупериоде.

Отсюда простое и популярное правило: берётся число 170 (половина скорости звука в метрах в секунду) и делится на са­мый большой размер салона. Здесь обычно начинается боль­шой и горячий базар про то, какая передаточная функция у ка­кого автомобиля, исходя из его размеров. Разная, конечно, кто спорит. Но если принять во внимание все факторы, на эту функцию влияющие, мы увидим, что собственно размер авто­мобиля из них — самый заметный, но далеко не самый важный.

Будем реалистами и перестанем, наконец, без нужды по­минать «Оку» и «стретч» на базе Lincoln Town Car. Немного­численные желающие заняться высококачественным озвучи­ванием одного и другого наверняка найдут решения столь же нестандартные, сколь и их автомобили. В реальной жизни размеры салона различаются не так сильно, как размеры авто­мобиля, да и размеры большинства автомобилей разнятся не на порядок.

Держу пари: с вероятностью 95% длина вашей машины — от 4 до 5 м. С вероятностью 90% — от 4,1 до 4,6. На са­лон придётся от 2,2 до, скажем, 2,5 м. Частота начала подъёма АЧХ, соответственно, 75 ± 5 Гц. Надо ли копья ломать по этому поводу? Разбег в выборе параметров сабвуфера, как показывают длительные наблюдения, существенно шире, а влияние волновой каши, возникающей в салоне вблизи этой частоты — существенно сильнее. Лучше сосредоточиться на базовых принципах, детали придут в своё время. Ведь до сих пор мы строили свои теории в рассуждении того, что динамик идеален и воспроизводит любые частоты. А ведь такого не бывает даже в самой сухой теории.

ЕСТЬ ДРУГАЯ ЧАСТОТА

Динамик в оформлении типа «закрытый ящик», что вклю­чает в себя и случай акустического экрана, это как бы беско­нечно большой закрытый ящик, имеет строго определённую нижнюю частотную границу эффективного излучения. Это — частота основного резонанса динамика в ящике. Ниже этой частоты при по-прежнему постоянной подводимой мощности звуковое давление падает в темпе 12 дБ/окт. А амплитуда колебаний диффузора перестаёт расти. Ниже резо­нансной частоты она остаётся постоянной. В домашней акустике именно это считается нижней частотной границей, ниже колонка издаёт очень мало звуков. И именно это имел в виду изобретатель закрытого ящика Эдгар Вильчур (прошлый выпуск «В.В.»), когда говорил об «оптимальной резонансной частоте». Оптимальная — это когда амплитуда не выходит за пределы линейности. 6-дюймовый динамик с резонансной частотой (в ящике) 20 Гц на нижних частотах захлебнётся от не посильного хода диффузора. А если резонансная частота будет не 20, а 60 Гц, рост амплитуды на этой частоте остановится (будучи в 9 раз меньше, чем был бы на 20 Гц при том же звуковом давлении) и искажения останутся в норме.

Но ведь это — дома, там простор, а у нас в салоне — тес нота и передаточная функция. С крутизной наклона, позвольте-ка, те же самые 12 дБ/окт. Значит, дома получается так: как только пройдена резонансная частота, амплитуда колебаний диффузора расти перестаёт, следовательно, при снижении частоты сигнала звуковое давление будет падать обратно пропорционально квадрату частоты (это как раз 12 дБ/окт.). А у нас в салоне, если амплитуда колебаний диффузора остаётся постоянной там, где уже началась компрессионная зона, Это означает: работает «акустический насос» с постоянным ходом поршня и создаёт постоянное, не зависящее от частоты звуковое давление, то есть — горизонтальную АЧХ. Или, угодно, по-другому. Звуковое давление падает со скоростью 12 дБ/окт., а передаточная функция — растёт в том же темпе. Так на так и получается. Вот только где начнёт падать, а где расти — вопрос отдельный.

СТОЛКНОВЕНИЕ ДВУХ ЧАСТОТ

Вот здесь мы и дошли до главного секрета автомобильных сабвуферов. А заключается он в том, что они начинают работать там, где домашняя акустика заканчивает свою деятельность. Частота раздела «фронт — сабвуфер» приходится на значение 50 — 100 Гц. Это — экстремальные границы, большинство систем настроены на раздел на частоте не ниже 60 не выше 85 Гц. Именно внутри этого коридора и сидит boлшебная частота начала подъёма АЧХ под действием передаточной функции. И примерно там же должна находиться резонансная частота сабвуфера (в ящике), если перед конструктором системы стоит задача получить вменяемую АЧХ.

Результат осреднения АЧХ в салоне по примерно 80 аудиосистемам профес­сиональной работы, оплаченных и принятых заказчиками. Индивидуальные особенности нивелировались, и стало ясно: приблизительно такую АЧХ на­род желает видеть в своей машине. А против народа не пойдёшь, да и ни к чему это.

Для того чтобы сосредоточиться в этом разговоре на низких частотах, мы вы­делили из графика «общенародной» АЧХ низкочастотную область в виде от­клонения АЧХ от горизонтальной. Трудно не заметить, что ниже 80 Гц вкусы любителей автозвука кристаллизовались в куполообразную АЧХ с максиму­мом на 40 Гц.

Подход к басовой тематике суперпрофессионалов — победителей автозвуко­вых соревнований высокого ранга отличается большей сдержанностью. В быту звучание басов многих соревновательных машин считается суховатым, но именно оно наиболее корректно и достоверно.

Оставив в выборке только те системы, в которых сабвуфер был устроен по принципу закрытого ящика, а не фазоинвертора, подтвердили то, что и так знали: именно ЗЯ даёт наиболее ровную АЧХ. При правильном выборе пара­метров, естественно.

Предельно, до фантастики идеализированная картина того, что происходит в салоне. Фантастика в том, что мы предположили: у сабвуфера резонансная частота почти что нулевая, он до самых низких инфразвуковых частот сохра­няет неизменным создаваемое звуковое давление. Это — фантастика, но она пока нужна. А идеализация в том, что плавный переход от горизонтальной АЧХ к наклонной (и у сабвуфера, и у передаточной функции) условно заме­нён резким изломом. Пока это на логику существенно не повлияет. Частота, на которой начинается наклонная ветвь АЧХ передаточной функции, принята равной 80 Гц, что недалеко от реальных значений.

Ход диффузора в зависимости от частоты отложен в логарифмическом мас­штабе, поэтому то, что он увеличивается в 100 раз при снижении частоты сигнала в 10, выражается наклоном прямой.

Если предположить, что такой сабвуфер действительно существует, АЧХ в са­лоне в идеальном случае неуклонно стремилась бы вверх с наклоном 12 дБ/окт., при этом амплитуда колебаний диффузора, весьма скромная даже на довольно низких 100 Гц, к самым низким частотам пыталась бы достичь совершенно невменяемых значений. В реальных условиях ниже 20 Гц кузов автомобиля начинает «дышать» настолько, что звуковое давление перестаёт расти, но сабвуфер этого не знает и продолжает колотиться как ненормаль­ный. Если это не предотвратить.

Выбор чемпионов. Если резонансная частота сабвуфера (с учётом оформле­ния, в сборе) находится вблизи «волшебной частоты» на переходной функ­ции, это, при определённых условиях, может произвести на свет идеально ровную АЧХ, а ход диффузора не растёт ниже 80 Гц, сохраняя вполне допус­тимые величины. При этом обратим ещё раз внимание: у сабвуфера, способ­ного с постоянной отдачей звучать до 20 Гц, собственная резонансная часто­та — около 80 Гц. Так вот у нас происходит. Теперь, если выбирать резонанс­ную частоту ниже области перехода, не доходя, разумеется, до фанатизма из предыдущего примера, АЧХ ниже 80 Гц будет подниматься параллельно са­мой себе, приближаясь к «общенародной», но без выраженного горба на 40 — 50 Гц, происхождение которого к закрытому ящику отношения не имеет

Чуть более реальный, но всё же неоптимальный случай. Из самых светлых побуждений для машины спроектировали сабвуфер с резонансной частотой 20 Гц. Мечта домашнего аудиофила. Что произошло: до самых 20 Гц АЧХ в салоне растёт под влиянием передаточной функции, и только там переходит в горизонтальную линию (о которой домашний аудиофил не смеет и меч­тать). Ни простой народ, ни тем более прославленные чемпионы такую АЧХ, как можно видеть из нашей статистики, не хотят. В том числе и потому, что ход диффузора на не очень нужных для звука сверхнизких частотах по-преж­нему очень велик.

В реальной жизни такое получается, когда по дури или с озорства сабвуфер­ную головку с низкой резонансной частотой, предназначенную для установ­ки в ящик, монтируют в заднюю полку и она работает в режиме бесконечно­го экрана (free air)

Другой пример неудачного выбора параметров сабвуфера. Или взяв непод­ходящий динамик (предназначенный для free air), или чересчур пожадничав с объёмом ящика, сделали сабвуфер с резонансной частотой заметно выше «волшебной». Результат: отдача сабвуфера начинает падать там, где переда­точная функция ещё не работает в полную силу, а когда она наконец возь­мётся за дело, будет поздно, АЧХ провалится, и компенсировать это придёт­ся увеличением подводимой к сабвуферу мощности (что ему может не по­нравиться) и коррекцией АЧХ в области раздела между фронтом и сабвуфе­ром, это ведь тоже может оказаться где-то здесь, на 80 — 100 Гц.

На приведенный иллюстрациях, предельно идеализиро­ванных для пущей наглядности, показаны типовые случаи вза­имодействия резонансной частоты сабвуфера и частоты пере­хода передаточной функции.

Своего рода парадокс: в практике домашней акустики, чтобы получить нижнюю граничную частоту 50 Гц, надо и ре­зонансную частоту басовых динамиков в оформлении делать примерно такой же, а в автомобиле, чтобы ровно и спокойно доиграть до 20 Гц, резонансную частоту самого низкочастот­ного звена в системе можно выбирать в районе 60 — 80 Гц. При этом дома будет «вуфер», а в машине — действительно САБвуфер, по конечному результату.

В принципе это — главное, на чём основан расчёт сабву­фера в оформлении типа ЗЯ, дело за малым: научиться выби­рать сабвуфер и объём ящика, которые, вместе взятые, позво­лят «попасть» в настройку. Ровно через месяц и выберем.