Там, где живут басы (5 частей)

Ирина АЛДОШИНА, Константин НИКИТИН, Собачка ЛУША

---

Там, где живут басы – 1

Так как интерес читателей к работе низкочастотных звеньев акустических систем не ослабевает никогда, я (К. К.) с М.А. Сергеевым, а затем и с Д.И. Ланским не раз позволял себе углубляться в разные аспекты этой темы. Как и было обещано ранее, для сегодняшнего повествования мы призвали в редакцию известного специалиста в области электроакустики доктора наук профессора Ирину Аркадьевну Алдошину.

И. А. Если допустить, что аббревиатуры hi-fi и high-end хоть как-то связаны с натуральностью звучания системы и степенью совпадения этого звучания с реальным, то низкочастотное звено АС может оказаться тем самым “узким местом”, в которое не впишутся замыслы, воплощенные в источнике сигнала, усилителе и не низкочастотных звеньях акустических систем.

С. Луша. Если это “узкое место” порой занимает половину жилплощади, что же говорить о местах прочих…

И. А. Вы, подруга, затронули лишь один из вопросов, волнующих разработчиков низкочастотных звеньев. Действительно, наряду с выбором либо проектированием громкоговорителей (“головок электродинамических”, как любят говорить многие) для разработчика важным до чрезвычайности оказывается выбор типа и проектирование корпуса АС, где главную роль играет выбор акустического оформления.

К. К. То есть вы хотите сказать, что добиться от скрипки контрабасового звучания одним лишь ослаблением натяжения струн весьма и весьма проблематично?

С. Луша. Сдается мне, что и обратная процедура, основанная на натягивании контрабаса, тоже сомнительна.

И. А. Это понятно. Гриф сломается. А впрочем, о чем это я? Так вот, сегодня, а может быть, и в последующих публикациях, нас будет интересовать именно тип акустического
оформления АС. Начнем мы с самых простых оформлений, но постепенно доберемся и до тех, что заметно сложнее.

Итак, корпус АС, базирующийся на той или иной идее акустического оформления, выполняет две основные функции.

Первая функция — это блокирование эффекта акустического “короткого замыкания”, возникающего за счет сложения в пространстве акустических колебаний, возбуждаемых передней и задней поверхностями диффузора и, естественно, противофазных (см. рис. 1).

Рис. 1

Луша. Догадываюсь, что изоляция “вражьей стороны” диффузора способна дать очень многое. Вот хозяйка моя с завязанным ртом собирает ягод раз в шесть больше. А развяжешь — бац! Короткое замыкание.

И. А. Вторая функция чуть сложнее. Для знакомства с нею нам прежде всего придется вспомнить, что из себя представляет динамик

Луша. Магнит и моя миска на пружине.

И. А. Образное мышление. Так вот, наличие упругой возвращающей силы, обеспечиваемой пружинящим подвесом, предопределяет для динамика возможность лишь возвратно-поступательных движений миски, то есть, простите, диффузора.

Луша. Я так понимаю, что движения диффузора могут быть и просто поступательными…

И. А. Но только один раз.

Характер вынужденных колебаний диффузора при подаче сигнала теперь будет зависеть от многого. Во-первых, как у грузика на пружинке, от массы подвижной системы и упругости подвеса. А во-вторых, от того, что вмешивается в работу “пружинки”. При характерных для низкочастотных звеньев скоростях движения диффузора воздух, его окружающий, способен оказать двоякое действие.

Это диссипативное действие, гасящее, демпфирующее колебание подобно амортизатору в автомобиле. Такое действие характерно для любых ситуаций, когда диффузор окружен воздухом. И упругое действие, когда воздух, сжимаемый той или иной стороной диффузора, оказывает на него воздействие, аналогичное воздействию подвеса. Это характерно для тех случаев, когда воздух заключен в закрытый объем, а в более общем случае каким-то образом оформлен. Это и означает “акустическое оформление”.

Собачка. А нельзя ли перед тем, как приступить к изучению наиболее известных оформлений, их хотя бы перечислить?

И. А. Наиболее широко применяются:

• бесконечный экран (infinite baffle) и его разновидности (учитывая разнообразие терминологических обозначений в зарубежной литературе, мы приводим английское название оформления, но только самое известное);
• закрытый корпус (closed box, acoustical suspension, sealed box);
• корпус с фазоинвертором (bass reflex, vented box, ported box) и его многочисленные собратья;
• лабиринт (labyrinth);
• трансмиссионная линия (transmission line);
• корпус с симметричной нагрузкой (bandpass) – первая экскурсия в классификацию НЧ-оформлений АС в нашем журнале была сделана В. Зуевым (см. „AM” *А 3 (8) 96, с. 55-57).

Луша. Итак, приступим…

И. А. Бесконечный экран.

Это устройство должно удовлетворять двум основным требованиям.

Луша. Быть экраном и быть бесконечным. Как “Санта-Барбара”.

И. А. То есть (рис. 1), помимо наличия “разделителя” надвое акустического пространства, препятствующего акустическому короткому замыканию, “задний объем” в корпусе тоже
должен быть немалым, хотя бы настолько, чтобы головка не ощущала на себе упругого воздействия содержащегося в этом объеме воздуха. Те аудиолюбители, воспаленное воображение которых уже посетила мысль вмонтировать головку в стену между комнатами, наиболее близки к идее infinite baffle. Ведь на заре электроакустики широко применялись свернутые “бесконечные” экраны, то есть коробки без задней стенки. Если их габариты соизмеримы с четвертьволновым отрезком, то короткое замыкание они устраняют вполне приемлемо, хотя уже, конечно, не полностью. Итак, запомним две особенности бесконечного экрана: полное предотвращение акустического короткого замыкания и полное отсутствие акустического демпфирования, то есть ситуация, при которой диффузор не чувствует за собой замкнутого объема.

Отсутствие акустического демпфирования может привести к появлению недопустимо большой амплитуды колебаний диффузора вблизи частоты механического резонанса, особенно это характерно для головок с мощным подвесом и тяжелым диффузором. В неаварийных случаях это явление сопровождается очень резким ростом искажений — до десятков процентов, нередко проявляющимся в откровенном похрюкивании АС.

К. К. Наверное, заднюю стенку комнаты вовсе не обязательно закладывать кирпичом.

Закрытый корпус с воздушным подвесом (ранее употреблялось название “закрытый корпус компрессионного типа”).

По виду ничем не отличается от закрытого корпуса, выполняющего лишь функцию бесконечного экрана. Но теперь объем корпуса выбирается таким, что упругость содержащегося в нем воздуха активно вмешивается в процесс колебательного движения диффузора. Этот тип оформления запатентован в 1949 году Олсоном (Н. Olson) и впервые использован в модели AR-3 компании Acoustic Research.

В начале 70-х Смолл (R. Small) опубликовал серию статей, в которых описал методику расчета подобных АС, что способствовало их широчайшему распространению.

Закрытый корпус предъявляет специальные требования и к излучающим головкам. Как правило, это выражается в требовании большой гибкости подвеса (нетрудно показать, что для упругого воздуха в корпусе тоже может быть введено понятие гибкости. Так вот, гибкость подвеса должна в 3—4 раза эту гибкость воздуха превышать), немалой массы подвижной системы (то есть, в совокупности, низкой резонансной частоты) и наличия магнитной системы, допускающей значительный ход. Такие головки имеют, как правило, сравнительно низкую чувствительность и заметные ограничения по воспроизведению верхней части звукового диапазона. Отсюда выплывают всем нам хорошо знакомые требования повышенной мощности усилителя и хорошо развитого среднечастотного звена. Тот факт, что основным “упругим” звеном в закрытом ящике оказывается воздух, то есть почти идеальный газ, свидетельствует о высокой линейности воздушного подвеса.

К. К. Гарантом здесь, как я понимаю, выступают то ли Жозеф Луи Гей-Люссак, то ли Бойль — Мариотт…

Луша. То ли Менделеев — Клапейрон. Кстати, о Люссаке никогда бы такого не подумала…

К. К. Ты, подруга, всегда обращаешь внимание на частности. От пытливой же мысли наших ученых коллег не могут спрятаться и куда более общие вопросы. Например, в последнее время стало весьма популярным заострять внимание на характере газодинамических процессов в АС. Дискуссия идет о том, каким в той или иной системе является процесс сжатия-расширения воздуха, изотермическим или адиабатическим.

И. А. Обратим внимание читателя на то, что нас интересует лишь быстрый процесс, развивающийся с частотой подводимого к АС сигнала. Именно он, а не медленный согрев газа за счет тепла, выделяемого по многим причинам (главная — тепловыделение в катушке), способен существенно повлиять на характеристики АС.

К. К. Итак, сжимает диффузор воздух в корпусе — температура растет. Растягивает — падает. Это — чистейшей воды адиабата.

Адиабатичность процесса, при которой закон Бойля — Мариотта, обеспечивающий линейность акустического подвеса, нарушается, свидетельствует о необходимости учета двух явлений, особенно если объем акустической системы мал, а площадь и ход диффузора — велики. Первое: большее, чем оговоренное законом Бойля — Мариотта, изменение давления адекватно снижению гибкости подвеса. Второе: значительная нелинейность газовой среды должна учитываться, она ведет к искажениям.

И. А. Сразу успокоим разволновавшихся читателей. В реальных АС, изменение объема которых в связи с ходом диффузора не превышает единиц процентов, рассмотренные процессы не могут сколько-нибудь серьезно нарушить привычный ход событий

Луша. И за Allegro в симфонии, как и ранее, последуют Andante и Scherzo?

К. К. Но, однако, в последнее время появилось немало работ, изучающих влияние присутствующего в корпусе АС “заполнения” на характер газодинамических процессов (например, Cauin R. Holland Thermal Time Constants and Dynamic Compressibility of Air in Fiber – Filled Loudspeaker Enclosures.JAES. Vol. 46, *ft 3. 1998.). Если это заполнение достаточно плотное (около 1% по объему вещества, что составит около 5 кг минеральной ваты для среднего размера АС), теплопроводящее, а волокна тонкие и распределены равномерно, то скорость теплообмена воздух — заполнение может оказаться очень высокой и во всем диапазоне низших частот, когда ход диффузора особенно велик, процесс сохранит изотермичность: сжатие — газ греется, а заполнение его охлаждает; растяжение — газ остывает, заполнение его греет. При частоте на сотню-другую герц выше процесс станет смешанным, а на более высоких частотах — опять чисто адиабатическим.

Луша. Что характерно, случаев глубокого аудиофильнонаучного анализа влияния указанных процессов на звук нами не обнаружено.

К. К. Тем не менее, если появятся читатели, заинтересованные в дальнейшем изучении этого, безусловно интересного, момента, мы сможем удовлетворить их любопытство.

И. А. Разработанная Смоллом и Тиле (Thiele) методика проектирования АС с закрытым компрессионным низкочастотным оформлением ныне реализуется в ряде компьютерных программ (например, LEAP 4). Подобные методики позволяют, например, задав параметры головки (резонансную частоту в открытом пространстве fs, общую добротность Qts, эквивалентный объем Vas, эффективную площадьдиффузора Sd, максимальное смещение подвижной системы Xmax и другие (см. например, ГОСТ 16122-88). Рассчитать необходимый объем корпуса и затем параметры АС (добротность, резонансную частоту, частоту среза), то есть определить ее АЧХ. Из всех перечисленных параметров, наверное, лишь эквивалентный объем требует дополнительных пояснений. Vas – это такой объем воздуха, который, будучи заключенным в замкнутое пространство, обладает тем же упругим воздействием на диффузор, что и подвес).

К. К. Внимательный читатель может заметить, что в аудио магазинах АС с НЧ-оформлением “закрытый корпус” встречаются нечасто. Может, позволим себе маленькое лирическое
отступление на эту тему?

И. А. Действительно, с точки зрения коммерчески привлекательных характеристик закрытый корпус может показаться средоточием недостатков. Частота среза — не низкая, чувствительность — не выдающаяся, объем — излишний. Все бы так, если бы не одно достоинство – звучат эти АС лучше всех. Лучше — в смысле “натуральнее”. В тех случаях, когда добротность АС близка к оптимальной (Q=0,707), а совокупная АЧХ — к наиболее плоской, closed box обеспечивает сухой, цельный, незатянутый бас. Лучшими ценителями такого баса оказываются те, кто нередко слышал оригинал — музыканты, “симфоникомеломалы” и т.п. Аудиофилы, не отяготившие свой слух посещением акустических концертов, либо специализирующиеся на электронной музыке, частенько предпочитают другой бас — более сочный, “смачный”, иногда уже даже гулкий. У звукорежиссеров для его описания есть даже устоявшийся термин “наличие мяса в басе”,— профессионалы всегда вводят свои термины.

С. Луша (заметно оживившись). Так-так, пожалуйста, подробнее…

К. К. Закрытый корпус создает такой бас в случае недодемпфированности (Q>0,707), а все или почти все остальные системы — в меру своих сил и возможностей. И все же наиболее продаваемыми, коммерчески значимыми оказываются другие типы акустического оформления, например фазоинверторы, разговор о которых мы начнем в следующей части нашего исследования.

Рис. 2

В последние годы получили распространение, хотя тоже ограниченное, другие разновидности закрытого НЧоформления: Push-pull (рис. 2а, б) и Isobarik (рис. 2в-е). При первом типе оформления удается снизить нелинейные искажения, в основном за счет избавления от четных гармоник; при втором — вдвое снизить объем корпуса АС. Последняя конструкция была предложена Олсоном еще в 1950 году, но широкое применение получила только сейчас в составе сабвуферов.

Кстати, изобарическая конструкция в последнее время становится все более и более популярной. И дело не только в сокращении габаритов — рассматриваемая конфигурация позволяет эффективно просуммировать энергию двух головок, что актуально при использовании мощных усилителей.

И. А. В современных моделях Isobarik используется 4 основных конфигурации. Корпус типа tunnel, когда две головки установлены друг за другом или тыльной стороной друг к другу (рис. 2в, г); конструкция типа clamshell (рис. 2д) и planar (рис. 2в). В последнем случае головки установлены рядом на одной панели и нагружены на общую узкую воздушную камеру, при этом одна головка установлена в малый закрытый объем, вторая излучает в общий корпус АС с фазоинвертором.

Подробный анализ особенностей работы подобных систем выходит за рамки сегодняшнего повествования, поэтому отметим лишь некоторые важные моменты. В идеале диффузоры головок у Isobarik должны двигаться как единое целое, однако этому мешает ряд обстоятельств. Например, наличие закрытой камеры вносит дополнительную жесткость и дополнительную присоединенную массу, то есть добавочную “пружину” между головками. Снижает идеальность взаимодействия головок также тот факт, что условия охлаждения магнитных систем оказываются различными: возможен перегрев узлов, находящихся в малом объеме, равно как и заполняющего этот объем воздуха. В этой связи clamshell нередко оказывается предпочтительнее.

К. К. Наверное, не надо всякий раз акцентировать внимание на том, что электрическая схема подключения головок к усилителю должна обеспечивать движение диффузоров в одном направлении. В зависимости от конфигурации этому будет способствовать либо синфазное, либо противофазное подключение.

---

Там, где живут басы – 2

Корпус с фазоинвертором

И. А. Хотя Турасом (A. Thuras) еще в 1932 году была запатентована идея фазоинвертора, детальное исследование и теория его проектирования появились тридцатью годами позже благодаря Смоллу и Тиле (Small, Thiele). Типичная конструкция корпуса с фазоинвертором проста: отличие от закрытого ящика заключается в наличии дополнительного отверстия, нередко снабженного трубой. При этом в корпусе появляется вторая колебательная система, обязанная своим происхождением упругости воздуха в корпусе (“пружина”) и массе воздуха в трубе (“грузик”).

К. К. Теперь, когда на резонансной частоте диффузор головки желал бы раскачаться до полного изумления, ему что есть силы мешает труба фазоинвертора.

Луша. Это как? Она же не к нему крепится?

И. А. Представим, что диффузор “летит” внутрь корпуса. Но и труба фазоинвертора в это время всасывает воздух, подобно слону, увидевшему мышь. Давление в корпусе становится заметно больше, чем оно было в отсутствие фазоинвертора, и демпфирует диффузор гораздо сильнее. Мы неоднократно использовали это словечко: “демпфирование”. Замечу, что с ним в электроакустике связана известная доля неразберихи. Хотя в “официальной” академической электроакустике все точки над “i” по его поводу давно расставлены, кое-кто (и нередко) своими высказываниями уводит читателя с пути истинного. Действительно, и в электроакустике, и в механике, и в электротехнике демпфер — устройство, препятствующее колебательному процессу. В автомобиле это амортизатор, мешающий раскачиваться рессоре. В колебательном контуре – паразитное (или непаразитное) омическое сопротивление. Кстати, если часть энергии контура (например, антенного) излучается, этот процесс тоже носит демпфирующий характер. Также н и АС: демпфер —это то, что мешает диффузору колебаться, потери на всякого рода трение и процесс акустического излучения. Но никак не упругий подвес и не упругий воздух в АС, о чем нередко пишут наши коллеги, а мы, увы, порой подхватываем их терминологию. — К.К.

Луша. Вот как я раньше не понимала профессоров, так и теперь не понимаю. Ну и что с того? Если раньше на резонансе диффузор ходил ходуном, то теперь ему мешают и он ходит меньше, то есть басит слабее. Или я не права?

К. К. Права, права. Но на резонансе во всю басит труба фазоиивертора, а диффузор лишь подкачивает в этот процесс энергию.

И. А. А колеблющаяся масса воздуха в трубе — это не диффузор на механическом подвесе. То есть не надо бояться, что, натянувшись как следует, что-то станет нелинейным либо вовсе оторвется…

К. К. А так — гляди-ка, как здорово все получилось! Там, где громче всего басим,— меньше всего искажений. Диффузор-то почти на месте стоит.

И. А. Хотелось бы так, конечно. Но удовольствия никогда не бывают без последствий.

Луша. Да-да, конечно… Вот помню, костей обкушалась как-то…

К. К. Прежде всего, воздух — среда далеко не идеальная. По-хорошему, так бы он и тек через трубу или другое фазоинверсное приспособление. Но возникают в газовых потоках всевозможные вихри, турбулентность и прочие очаги локальной неустойчивости.

Луша. Не такой ли процесс я наблюдаю, когда ожидаю конфетки, сидя недалеко от кипящего чайника? Пар из носика вылетает совсем не так, как фарш из мясорубки, — он вихрится, клубится, свистит…

И. А. Это заставляет искать оптимум при проектировании фазоинверторов, исходя из большего числа привходящих…

Известно, например, что если фаэоинвертор — просто отверстие, то для снижения частоты настройки надо уменьшать его площадь. Скорость воздушных потоков, и следовательно, вихреобразование будут расти. Поэтому и вводят еще одну степень свободы, используя не просто отверстие, а отверстие с трубой, у которой можно менять как диаметр, так и длину.

Труба фазоинвертора имеет немало преимуществ перед просто отверстием. Как мы увидим позже, одна и та же частота настройки может быть получена при различных длинах и площадях, что позволяет решать массу других задач. К тому же и “ручная” настройка становится технологичнее: обрезать (укорачивать) пластмассовую трубу легче, чем менять площадь отверстия в панели.

Но, к сожалению, проблема в вихреобразовании, несмотря на появившуюся возможность снизить скорость воздушных потоков, решается не полностью. Ток газа по трубам — процесс тоже непростой, и в трубе может возникнуть все — от вихрей до стоячих волн. И с тем, и с другим можно и нужно бороться. Тем, кто умеет, конечно.

Луша. Наверное, чем длиннее труба, тем ниже резонанс…

К. К. Итак, как мне думается, если снижать частоту сигнала, подаваемого на АС, то по мере приближения к резонансу “отдача” диффузора будет падать, а трубы — расти (рис.3).

И. А. О резонансе мы уже побеседовали; замечу, что АС с фазоинвертором при прочих равных создаст на частоте настройки фазоиивертора fb звуковое давление на 3 дБ выше, чем АС с закрытым корпусом. Это так, если “прочие равные”— это объем и нижняя граничная частота. Если же “равные”— КПД и граничная, то можно обойтись меньшим объемом. Кстати, именно к этому почти все и стремятся.

Рис. 3
Типичные АЧХ фазоинверсной системы при реализации аппроксимаций по Чебышеву (1), Баттерворту (2) и квазитретьего порядка (3) (рис.3а) и соответствующие им нормированные амплитуды колебаний диффузора (рис.3б). Ясно, что там, где у диффузора “провал”, у трубы – пик, тем более острый, чем острее провал у диффузора (fs – собственная резонансная частота головки в отсутствие акустического оформления)

К. К. Нередко приходится слышать о том, что причина этого явления в “сложении акустических волн, излученных передней и задней поверхностями диффузора”. Кстати, как раз получается 3 дБ. Утверждение это дважды неверно. Во-первых, никаких волн там нет. Волны есть там, где L≥λ/2, то есть на ВЧ и СЧ. А во-вторых (как видно из рис.3), на резонансе диффузор почти стоит, излучение его передней стороны мизерно, и говорить о каком-то @сложении”, конечно, не приходится.

Процессы в фазоинверторе не то чтобы сложнее, они просто не такие, как многие привыкли считать.

Луша. Но, если я все поняла верно, по мере того как мы будем и дальше снижать частоту сигнала, между колебаниями диффузора и массы воздуха в трубе будет увеличиваться фазовый сдвиг, который весьма быстро приблизится к 180°.

И. А. Случится то самое акустическое короткое замыкание, о котором мы упоминали в предыдущем номере.

К. К. И вот этот эффект будет воспринят головкой как практически полное отсутствие корпуса. А она на это совсем не рассчитана.

Луша. О, сколько нам открытий чудных!

Теперь я понимаю, почему звуковая катушка “Коды 7” во время измерения АЧХ на большом уровне мощности оказалась на кухне.

К. К. А ты-то что на кухне делала, лохматая?

Кстати, если ниже частоты основного резонанса что-то (а именно — постепенно становящийся противофазным фазоинвертор) мешает созданию звукового давления, оно должно падать слева от fb быстрее, чем 12 дБ на октаву, характерные для закрытого корпуса.

И. А. Так оно и происходит, и децибел оказывается 24.

Но об этом мы поговорим в разделе “недостатки”. Пока же продолжим перечисление достоинств.

Дополнительное демпфирование головки ва частоте резонанса позволяет обойтись меньшей массой и меньшим допустимым ходом подвижной системы. Это дает возможность повысить как чувствительность головки, так и ее верхнюю граничную частоту: системы с фазоинвертором сделать двух-, а не трехполосными легче, чем АС с закрытым корпусом.

К. К. Но все же, мне кажется, главное преимущество фазоинвертора заключается в резком снижении искажении в низкочастотной области, достигаемом за счет уменьшения амплитуды колебаний нелинейного звена — диффузора на подвесе.

Луша. Вас слушаешь, коллеги, так просто диву даваться! Ну и вещица фазоинвертор — одни преимущества.

И. А. Стоя на твоей позиции, лохматая, фазоинвертор можно сравнить с котом: он имеет лишь один недостаток, но зато серьезный.

Луша. Он что же, по деревьям лазает?

И. А. Он крутит фазу. Чем больше децибел на октаву, тем больше накручивается фаза. Помните, К. К., “минимальнофазовые”, “неминимальнофазовые”…

К. К. С трудом. (Лукавит. Уходит от разговора. С первого курса помнит, что все пассивные линейные цепи — минимальнофазовые, то есть АЧХ и ФЧХ связаны в них однозначно. Просто где-то слышал, что по большому счету, с точки зрения эквивалентной цепи, АС — устройство не минимальнофазовое, и боится попасть впросак. Попутно, кстати, замечу, хоть и не мое это собачье дело, что в природе, ни на бумаге настоящая И. А. до жаргона вроде “крутит фазу” никогда не снизойдет. Так ведь и собачки в этой самой природе редко беседуют об злектроакустике… – С. Л.)

И. А. Большой набег фазы — и бас уже не тот. Вязкий, гулкий. Отсюда, кстати, и название “boombox”. Так что, рассчитывая, изготавливая или приобретая фазоинвертор — будьте бдительны.

Луша. Faza ne dremlet!

Это не по-нашему, вам не понять. Как, впрочем, и мне не понять, как это коты крутят фазу.

И. А. Ну, быть может, лучше поймешь следующее. Радиотехники очень любят говорить про фазу. Акустики же чаще оперируют понятием “переходные характеристики”, вам же, К. К., я знаю, ближе понятие “импульсный отклик”.

Действительно, чем меньшие отклонения от линейной ФЧХ обеспечивает система вблизи частоты раздела, тем лучше передается форма сигнала. Особенно четко это выявляется при импульсной его форме — отсюда и название “импульсный отклик”.

К. К. Кстати, нельзя сказать, что 24 дБ у фазоинвертора однозначно хуже, чем 12 дБ у закрытого ящика с акустическим подвесом. Фазоинвертор — это, наверное, та золотая середина, когда уже и достоинств нажито немало, и импульсный отклик еще не столь безобразен, как, скажем, у какого-нибудь полосового резонатора, свойства которого мы обсудим позже.

Луша. Ох, ничего себе рекламка полосовому резонатору. А стоит ли после этого бумагу на него переводить?

К. К. Удачно выполненный фазоинвертор еще обладает звуком, который можно назвать и высоковерным, и аудиофильным. Кстати, ругая фазоинвертор за его единственный недостаток, многие лукавят, представляя его достоинства как чисто количественные. Рассуждая так и имея 30-процентный запас по объему корпуса, можно вообще забыть об идее фазоинвертора. Но напомню еще раз, главное преимущество фазоинвертора заключается не в его эффективности, а в снижении искажений на частоте резонанса. И за это кое-кто не откажется заплатить ухудшением импульсного отклика.

И. А. И все-таки не удержусь еще от одной реплики по существу. Дело не только в “минимальнофазовости”. Если бы АС была хотя бы линейна, то, измерив АЧХ и ФЧХ и воспользовавшись аппаратом Фурье (в обобщенном смысле), можно было бы однозначно судить о переходной характеристике. Так, кстати, и поступают цифровые станции, то есть специализированные устройства для электроакустических измерений на базе ЭВМ (например, “Мелисса”). Штука эта измеряет именно импульсную характеристику и уже по ней рассчитывает АЧХ и ФЧХ.

Ценность таких процедур для науки и общества весьма и весьма сомнительна: все измерения проводятся на очень малом уровне громкости, где нелинейность процессов сказывается в слабой степени. Поэтому более любознательные и терпеливые экспериментаторы…

Луша. М. А. что ли?

И. А. …оказываются вынуждены измерять спектральные и временные характеристики процессов в АС отдельно. Еще одна древность — пассивный излучатель. Патент Олсона 1935 года. Относительно широкое коммерческое применение началось в 70-х годах. Впервые в коммерческом изделии конструкцию такого типа применила фирма “Celestion”.

Луша. А не “Электроника” в одной из моделей 35АС-015, больше известной как Электроника 130АС?

И. А. В принципе, пассивный излучатель — разновидность фазоинвертора. У него имеются те же три степени свободы при настройке — площадь, масса подвижной системы и упругость подвеса. Помимо очевидного недостатка — заметно более высокой стоимости, чем у трубы фазоинвертора…

Луша. И уж подавно, чем у дырки.

И. А. …пассивный излучатель имеет немало преимуществ, главное из которых — отсутствие тех самых вихрей и побочных резонансов в трубе.

К. К. Звук систем с пассивным излучателем чище, менее окрашен, хотя вообще об окраске на басах можно говорить лишь с большой натяжкой. Между прочим, нередко главным доводом в пользу “пассивника” служит то, что трубу, даже свернутую, как шланг, поместить в корпусе некрупной АС просто негде.

Луша. Вот на даче у нас труба из крыши наружу торчит. И ничего… Пока снегом, конечно, на засыплет.

И. А. С помощью несложных доводов, которые мы здесь не приводим, можно показать, что спад АЧХ у системы с пассивным излучателем будет на низких частотах несколько круче, чем у фазоинвертора, а импульсный отклик — несколько хуже.

К. К. И еще одно. Так как теперь система может быть сделана совершенно симметричной, появится частота, на которой с огромной амплитудой, но в противофазе, будут гулять два диффузора.

Луша. Это, наверное, там, где об обычном диффузоре вы писали про 180°?

К. К. Догадываюсь, что излучать АС в этот момент будет все что угодно, только не основной тон.

Луша. Я, кажется, готова изобрести способ измерения нелинейных искажений. Но только для одной частоты.

К. К. А на АЧХ акустических систем с пассивным излучателем на этой частоте красуется великолепный провал почти до нуля.

И. А. Нельзя сказать, что в области фазоинверторов и пассивных излучателей в наше время ничего не изобретается и все, что известно, придумано в тридцатые.

Луша (осторожно, нолукаво). А ваше время это когда?

К. К. Кыш, лохматая. Совсем распоясалась.

И. А. Напротив, придумывают, и очень немало. Только вот в коммерческом смысле приживается далеко не все.

Например, некто Госбах (Е. Hossbach) всего лет двадцать пять назад придумал любопытную вещицу, изображенную на рис. 4а. Корпус АС состоит из двух отсеков и использует два сочлененных неравных по площади пассивных излучателя.

Луша, (рассматривая рисунок). Один из них смотрит мордой туда же, куда и активная головка, а другой — в задний закрытый объем.

Рис. 4

И. А. Помимо роста КПД, по сравнению с обычной системой с пассивным излучателем, такая АС характеризуется заметным сдвигом влево основных характерных частот (частоты среза, например). А это в ряде случаев радикально улучшает импульсный отклик, так как область частот, где наблюдаются резкие скачки фазы, попросту выходит за пределы частотного диапазона остальных устройств (носителя, источника, УНЧ).

Своего рода экзотику представляет корпус, использующий сдвоенный пассивный излучатель и две активные головки, установленные по типу изобарической нагрузки (рис.4б). Такая конструкция объединяет все преимущества “изобарика” и пассивного излучателя, но чрезвычайно сложна в настройке.

К. К. Мы бы и еще, наверное, набросали в статью фазоинверторов и пассивных излучателей, но сдерживает то, что в продаже такой экзотики не сыскать.

Луша. Помню, была такая “Книга о вкусной и здоровой пище”. Кто-то считал ее учебником, а кто-то — музеем.

К. К. Здесь, уважаемый читатель, воспользовавшись намеком на гастрономическую тематику, мы предлагаем тебе сделать обеденный перерыв или заменить его иным душеприятным времяпрепровождением.

Иначе наше творчество неизбежно покажется тебе излишне навязчивым и в чем-то даже назидательным.

***

К. К. К сожалению, столь простое объяснение принципа работы фазоинвертора, которым ограничились мы в основной части нашего повествования, не может не грешить неточностями и недоговоренностями. Чем сильнее наше стремление упростить изложение, тем больше вероятность навлечь на себя гнев образованных коллег.

Луша. А как же популярные версии с аистом и капустой?

К. К. Более или менее складное и достоверное изложение теории фазоинвертора может получиться, если использовать метод электроакустических аналогий. В этом случае эквивалентная схема устройства вырисовывается в виде двух связанных контуров. АЧХ такой системы, содержащей четыре реактивных элемента, описывается дробно-рациональным соотношением:

H(s) = 20lg [ s⁴T⁰⁴ / (s⁴T₀₄ + a₁s³T₀₃ + a₂s²T₀₂ + a₃sT₀ +  1) ]

и числитель и знаменатель которого — полиномы четвертой (а не второй, как у закрытого ящика) степени. Все коэффициенты a¹, оказываются при этом функциями номиналов элементов эквивалентной схемы (рис. 5), а те в свою очередь определяются главными @переменными” фазоинвертора: добротностью головки Qts, эквивалентным объемом Vas, частотой резонанса головки в воздухе (без оформления) fs. (При более детальном рассмотрении приводится учитывать еще и добротность потерь в корпусе Qb, определяемую главным образом утечками.)

И. А. Стратегия выбора перечисленных переменных, как правило, бывает нацелена на получение наиболее гладкой АЧХ. Отправной точкой служит полная добротность Qts. При очень низких добротностях Qts<0,3 наиболее гладкими из реализуемых АЧХ оказываются кривые квазитретьего порядка. Частота настройки фазоинвертора fb при этом получается в 1,4-1,8 раза выше, чем fs, а частота среза АЧХ f_ЗАЧХ — еще выше (кривая 3, рис.3). При средних добротностях (Qts≈0,4) наиболее гладкими оказываются баттервортовские кривые, для которых характерно совпадение fs, fb, f_ЗАЧХ. Дальнейший рост добротности (Qts>0,5) для сохранения максимальной гладкости требует допущения колебании АЧХ в пределах прозрачности кривая получается чебышевская. Как fb, так и f_ЗАЧХ<fв получаются заметно меньше fs.

Следует отметить, что “степеней свободы” у разработчика в его стремлении создать устройство с максимально гладкой АЧХ может и не хватить. На практике это означает, что величины объема ящика Vb, значения КПД устройства η и (или) максимального создаваемого звукового давления Pmax окажутся неприемлемыми.

К. К. Это как у американцев. Лечат человека от одной болезни, а умирает он от другой.

Луша. Дикий народ! У нас — от чего лечат, от того и умирают!

И. А. Как-то вы хмуро, коллеги, отреагировали. Радости, конечно, мало. Приходится отказываться от максимальной гладкости и все пересчитывать. Объем и КПД становятся приемлемыми, но АЧХ получает выброс.

К. К. Замечу, кстати, что “капризность” фазоннвертора, заключающаяся в его достаточно высокой чувствительности к изменению исходных параметров Qts, fs и Vas, нередко приводит к ошибкам проектирования, выбросам в АЧХ и, как следствие, к бубненню. Основой для бытующего мнения о гулкости и бубнении фазоинвертора являются случаи неправильного расчета, а не сама суть устройства. Хорошо выполненный фазоинвертор по натуральности баса не уступает закрытому ящику.

Рис. 5
Эквивалентная схема фазоинвертора: типичная пара связанных контуров

Между прочим, эквивалентная схема (рис. 5) как нельзя лучше трактует и зависимость модуля комплексного сопротивления фазоинвертора от частоты. Действительно, из общего курса электротехники известно, что система связанных контуров (в нашем случае одни колебательный контур – это головка, а другой — масса воздуха в трубе плюс упругость воздуха в ящике. Понятно, что связь, то есть взаимная перекачка энергии в этих контурах, велика) может иметь двугорбую характеристику, хотя оба контура настраиваются на одну и ту же частоту (баттервортовский случай). В той точке характеристики…

Луша. Где обычно сидят верхом на верблюде? (Рис. 6.)

Рис. 6
Зависимость модуля полного сопротивления АС от частоты. Максимум или минимум вовсе не означает пик АЧХ

К. К. …сопротивление имеет минимум (частота fb). Здесь головка и фазоинверсное отверстие излучают в фазе, ход диффузора минимален. Выше и ниже частоты fb=f_ЗАЧХ=fs располагаются два резонанса-максимума сопротивления. Радиотехники называют частоты этих резонансов частотами связи. На этих частотах наблюдается явление компенсации собственной реактивности одного из контуров реактивностью, вносимой соседним контуром. Чем сильнее связь — тем больше максимумы разнесены по частоте. В случае баттервортовской аппроксимации горбы не приводят к выбросам АЧХ, в чебышевском случае — все гораздо сложнее, и на пальцах уже ничего не объяснить.

Луша. Как их ни растопыривай.

---

Там, где живут басы – 3

К. К. Достаточно обширная читательская корреспонденция, преподносящая нам отклики на статьи о басах, свидетельствует о том, что многие наши читатели имеют каждый номер журнала и получают, таким образом, возможность суммировать статьи, размещение которых в одном номере разом было бы невозможно. Это отрадно для редакции и вдвойне радостно для авторов. Корреспондентов наших, кстати, можно разделить на две группы. Первую из них возглавляет наш старый друг Игорь Хайруллин из Москвы, как всегда выступающий со справедливой и обоснованной критикой. Вторая группа настойчиво требует, чтобы мы вооружились лобзиками, клеем, фанерой и прочим и создали-таки что-либо басовое в качестве примера. У меня по этому поводу созревает крамольная мысль, пропустить одну плановую публикацию и целиком отдать наши четыре страницы ответам на вопросы.

Для тех читателей, которые присоединились к нам с нынешнего номера, вкратце сообщим следующее.

Пока что мы рассмотрели два типа акустического оформления динамических головок: закрытый ящик и фазоиипертор, а также их разновидности.

Мы показали, что главным достоинством закрытого ящика является его великолепная переходная характеристика (импульсный отклик), обеспечивающая получение натурального, упругого, незатянутого баса, а недостатком — большие искажения вблизи резонансной частоты
оформленной головки.

Недостаток легко исправляется в ящике-фазоинверторе, но последний капризен в настройке…

И. А. Те, кто всю жизнь настраивали, скажем, полосовые резонаторы, сейчас тихонько ухмыляются… Мол, вам бы, коллеги, попасти наших коров, и настройка фазоинвертора покажется кормлением аквариумных рыбок…

К. К. …и к тому же отвратительно ведет себя ниже частоты среза, полностью раздемпфируясь. Тем не менее…

И. А. Подошло время дать обещанный читателю пример расчета фазоинверсной системы. Так получилось, что до расчета закрытого корпуса дело не дошло — это слишком уж просто и неинтересно, да и большинство самоделыциков предпочитают все же фазоинверторы.

Существует множество методик расчета фазоинверторов, основанных на изначальном знании тех или иных параметров головки и преследующих те или иные цели. Учитывая, что наши возможности ограничены, мы представим уважаемому читателю самую простую методику, при грамотном использовании которой, однако, можно получить вполне приемлемые результаты.

К. К. Чтобы понять суть методики, кратко опишем принципы, положенные в ее основу.

Принцип 1. Исходные параметры динамической головки, используемые для расчета, должны быть общепонятными и доступными. В нашем случае это:

• полная добротность головки Qts;
• эквивалентный объем Vas;
• собственная резонансная частота головки на открытом воздухе fs.

Перечисленные параметры указываются в паспорте головки, в ТУ, либо могут быть измерены согласно ГОСТ 16122-88.

Принцип 2. Цель стратегии расчета должна быть одна, и она должна быть проста. Иначе запутаемся.

Наша цель — получить АЧХ, наиболее близкую к идеальной с точки зрения среднеквадратического отклонения. (Напомним, что идеальная АЧХ горизонтальна правее некоторой частоты и имеет спад 24 дБ/окт левее её) Заметим, что в зависимости от Qts эти АЧХ могут иметь как монотонный, так и колебательный характер.

Принцип 3. Нам придется смириться с тем, что у рассчитанной АС может не все оказаться благополучно: и объем получиться излишним, и КПД — неважным и т. п.

Луша. Будем утешать себя тем, что хоть АЧХ получилась великолепной.

К. К. Ho! Это вовсе не означает, что наша методика расчета плоха. Просто исходный набор параметров головки (то есть численные значения Qts, Vas и fs) может быть не очень  удачным для ее использования в оформлении “фазоинвертор”.

Луша.  Хватит разглагольствовать! Методику давай!

К. К. А методика проста. Первое. Существует единственная добротность головки, когда:

• требуемый объем ящика равен присоединенному Vb=Vas;
• требуемая частота настройки фазоинвертора равна резонансной частоте головки fb=fs;
• полученная частота среза АЧХ АС тоже равна резонансной частоте головки: f_ЗАЧХ=fs=fb.

Собачка. Ох, ничего себе!

И. А. Эта добротность (Qts) примерно равна 0,39. АЧХ в этом случае имеет чисто баттервортовскую аппроксимацию, а расчет становится тривиальным.

К. К. Второе. Если Qts≠0,39, то интересующие читателя величины также могут быть вычислены с применением лишь логарифмической линейки:

Vb = Qts^2,87 x 15Vas

f_ЗАЧХ = Qts^-1,43 x 0,26

fb = Qts^-0,92 x 0,42fs

Нетрудно заметить, что, подставляя в эти формулы Qts=0,39, получаем предыдущий тривиальный случай.

И. А. Коллега! Но я же взяла данные в “Интернете” и дала вам чуть-чуть другие формулы. Там вместо 1,43 было 1,4, а вместо 0,92 было 0,9! Я, конечно, понимаю, что это блохи, но все же интересно, как было у основоположников?

Луша. Прошу вас, уважаемая, не поминать их вкусе. О них вообще можно — либо хорошо, либо ничего.

К. К. О блохах или об основоположниках?

Луша. А по мне так хоть об одних, хоть о других. Вот например: “Или блохи победят социализм, или социализм победит блох!”. Так что уж объясните, пожалуйста, куда дели сотые доли?

К. К. Ну, милая, не надо так волноваться! В “Интернете” можно еще и не такое увидеть.

Поднятая ними тема действительно очень популярна в “Интернете”. Вам могут быть предоставлены многочисленные рекомендации, методики, программы-вычислители. Относиться к этому благу цивилизации надо весьма осмотрительно: ошибок там содержится немало, например в нашем случае формулы для fb и f_ЗАЧХ были просто перепутаны! Кстати, появление в формулах весьма сомнительных показателей степеней и прочих констант, не являющихся простой комбинацией 1, 2, 3, √2, e, π. и т.д., говорит о том, что представленные зависимости скорее всего эмпирические, аппроксимирующие кривые, характер которых выяснен другим, более сложным способом. Это дает основания полагать, что данные формулы имеют не слишком уж широкие границы использования, но есть возможно, скажем, что считать по ним для Qts=0,1 или Qts=10 нельзя. Степень же совпадения результатов расчетов па предлагаемой методике с другими (графическими и т.п.) проверялась нами и оказались достаточно высокой во всем реальном диапазоне измерений Qts.

К тому же надо иметь в виду, что наши формулы не учитывают многих параметров системы. Так, помимо добротности первой колебательной системы — головки (Qts) немалую роль играет добротность второй, именуемая добротностью потерь в корпусе Qb. На эту добротность наибольшее влияние оказывают так называемые “щелевые потери”. У нас есть основания полагать, что представленные в “Интернете” формулы даны для Qb~4..6, что вполне приемлемо.

И. А. Если читатели будут и далее настойчиво требовать расширения нашего участия в направлении “сделай сам”, мы готовы двинуться дальше простейших формул.

К. К. А пока обратим внимание на рис.7, мягко намекающий на возможные последствия ошибок в измерениях и расчетах.

Рис. 7
Изменение характера АЧХ фазоинверсной системы при отклонении от учитываемого в расчетах (“оптимального”) значения:
а) расчетного объема Vb;
6) расчетной частоты настройки фазоинвертора fb;
в) собственной добротности Оts, (ошибки в измерении, например);
г) имеющейся массы подвижной системы Mms;
д) имеющейся гибкости механического подвеса Сms.

Выбор стратегии построения фазоинверсной АС, нацеленной на получение максимально гладкой АЧХ, еще не гарантирует получения требуемого результата. Некоторые важные параметры могут быть заявлены или измерены недостаточно точно (например, масса подвижной системы). Некоторые параметры, например такие, как объем ящика или частота настройки фазоинвертора, могут быть реализованы с погрешностями. В обоих случаях АЧХ отличается от желаемой. Как отличается – показывают наши рисунки. Естественно, от ожидаемого результата отклоняются и другие параметры, например импульсный отклик.

Луша. И в заключение поразмыслим о том, что может получиться на практике, если кто-то начнет делать ящик с фазоинвертором.

К. К. Итак, счастливый обладатель головки громкоговорителя будет вдвойне счастлив, если Qts и Vas окажутся подходящими для изготовления фазоинвертора. На радостях он неминуемо допустит ошибку в выборе расчетного значения Qts, не учтя какой-нибудь мелочи, например того, что на электрическом входе низкочастотного звена многополоспой АС стоит ФНЧ. Допустив в самом удачном случае 10% ошибку в Qts (например, взяв 0,42 вместо 0,38), автор более чем на 30% просчитается в определении объема, соорудив, например, 135-литровый комод с динамиком вместо 100-литрового. Конечно, имея природную смекалку и догадываясь о возможной ошибке, наш Кулибин будет лишь постепенно отрезать трубу фазоинвертора…

С. Луша (с садистской ухмылкой). Как хвост у терьера.

К. К. …настраивая его на все более высокую частоту. Если он грамотно выполнит эту процедуру, ему удастся в известной степени исправить ошибку в определении Qts, скажем, в нашем случае чуть снизив fb, но идеальной АЧХ уже не будет.

И. А. И это, заметьте, коллеги, наиболее оптимистичный вариант.

Луша. А помнишь, К. К., как мы на даче у соседа-акустика из скворечников скворцов полудохлых по дюжине вытряхивали? Он им случайно организовал “одностороннее движение”, а ошибся-то всего ничего: вместо дырки-летка фазоинверсную трубу по инерции вставил…

И. А. И что же, неправильно ее рассчитал?

Луша. Ну а нам, я так понимаю, как раз это и осталось: обеспечить наш ящик трубой, настраивающей фазонивертор на выбранную частоту fs.

К. К. Сдается мне, что это “всего ничего” может оказаться камнем преткновения.

И. А. На первый взгляд все выглядит весьма примитивно. Тиле приводит формулу, однозначно связывающую fb с параметрами фазоинвертора:

fb = C₀ / 2π √ ( S_V / L_VEVb) ,

где

• C₀ = 340 м/с — скорость звука в воздухе;
• S_V — площадь фазоинверсного отверстия;
• L_VE — эффективная длина трубы, состоящая из собственно длины L_V и довеска L_V0≈0,825√S_V, образуемого за счет “краевых эффектов”.

Анализ представленной зависимости показывает, что условию настройки удовлетворяет целое семейство труб, для которых S_V/L_VE = const = Vb (2π/fb/C₀)².

К. К. Снизу плошадь трубы ограничивается скоростью воздушного потока в ней, которая не должна превышать 4-5% от скорости звука, иначе турбулентность неизбежна 4. Слишком большие площади могут дать отрицательные значения Lv.

Луша. И труба будет вынуждена торчать наружу!

К. К. Боюсь, что даже не наружу.

И. А. И не торчать.

Луша. И не труба?

К. К. В достаточно широком диапазоне изменений S_V и L_VE при S_V/L_VE=const можно считать, что изменения в функционировании фазоинвертора происходят, но не отражаются радикально на звуке, оптимальным же считают вариант, когда L_V 2√S_V.

И. А. Кстати, при слишком большой длине трубы (LV≥С/fs) в ней может зародиться стоячая волна. Это совсем не подарок и радикально портит звук.

Луша. А в остальном — все очень легко, и описанные формулы великолепно иллюстрируются номограммой для расчетов.

Рис. 8
Номограмма расчета ящика-фазотвертора. Например, если V=Vb=200 л, f=fb=40 Гц, возможны варианты размеров трубы (диаметр d х длина L_V): а) 15х5 см; б) 20х14 см; в) 30х32 см.

К. К. Пользоваться номограммой очень просто.

На линии X в логарифмическом масштабе нанесены значения Vb, на линии Y — в обратном порядке fb. Найдите “свои” точки на линиях и соедините их. Продолжите полученную прямую до пересечения с линией Z и восставьте перпендикуляр к линии Z в этой точке (красная линия на рис.8). Все варианты у вас в кармане! Понятно, что номограмму можно распространить вправо — плево — вверх — вниз, но наиболее здравые соотношения она охватывает. Отобрать из них те, которые удовлетворяют введенным ранее ограничениям и рекомендациям, не составит труда.

И. А. С целью экономии бумаги мы даже не будем приводить числового примера — любой сможет, вооружившись значениями Qts, Vas, fs, Sd, x произвести необходимые вычисления.

К. К. Будет ли плодотворен конечный результат — покажет время.

Луша. По крайней мере обладателем замечательной будки с цилиндрическим лазом вы окажетесь наверняка…

Продолжение следует

Далее наши авторы познакомят вас с панелью акустического сопротивления, акустическим лабиринтом, трансмиссионной линией и подойдут вплотную к полосовому резонатору.

---

Там, где живут басы – 4

Несмотря на то что многие уверены в возможности аналитического либо машинного расчета трансмиссионной линии (существует даже специальная программа TLBOXMOD), на деле проектирование ее – сплошная эмпирика. Впервые подобные конструкции упоминаются в изданиях 30-х годов, известны эксперименты Бэйли (A. R Bailey) с различными демпфирующими материалами. Так, например, Бэйли выяснил, что лучшими звукопоглощающими материалами являются стопроцентная длинноволокнистая шерсть плотностью около 10 кг/м³ (собачка в негодовании уходит), декрон или стекловолокно. Понятно, что сейчас, с появлением сверхновых материалов этот список может быть расширен. Ряд критериев введен Бредбери (А. Т. Bradbury) в 1976 г. Эмпирикой пропитаны и измышления по поводу формы трубы. Замечено, что чистота и плотность баса и слушательское ощущение его натуральности в большой степени зависят от этой самой формы. Обычно площадь сечения трубы, несколько превышающая площадь диффузора, уменьшается очень постепенно и лишь за метр до выходного отверстия уменьшается более резко, до 40-75% от начальной. Этот метр, кстати, часто оставляют свободным от заполнения. Если сужать трубу в небольшой степени, подчеркивание басов увеличивается, но с окраской средних регистров бороться становится труднее. Доводка трансмиссионной линии всегда осуществляется на слух и. как показывает наш опыт прослушиваний, далеко не всегда удачно.

TDL Studio 4

К. К. Почти полгода назад, начиная работу над этой темой, мы никак не могли предположить, что четыре номера спустя все еще будем топтаться вокруг да около фазоинвертора.

Итак, в предыдущих номерах мы рассказали, чем хороши (и чем плохи) закрытый ящик и фазоинвертор, подробно описали расчет фазоннвертора, при этом нашли: требуемый объем ящика Vb, частоту настройки fb (а следовательно, диаметр d и длину L трубы) и получаемую частоту среза f_ЗАЧХ. Все эти параметры (Смолла – Тиле) оказались функциями констант, а именно: резонансной частоты голонки в открытом воздухе fs, эквивалентного объема, характерного для головки, Vas и полкой добротности головки Qts¹.

Луша. Говорила я вам, что, как только в статье появится первая формула, письма, требующие ответа, посыплются на вас градом. Писали бы лучше о гармонизации трактов путем их настройки на наиболее часто употребляемые композитором ноты…

К. К. Действительно, писем пришло изрядное количество. Однако по данной статье мы ответим на один-единственный, но главный вопрос.

Что касается остального — листайте этот номер журнала.

И. А. Я так понимаю, что дело дошло до измерения параметров Смолла — Тиле.

Луша. Тем более что в описаниях импортных головок ничего, кроме “The Besl Quality and High Resolution”, не вычитать, а в отечественных паспортах частенько можно прочитать “Qts=0,5 (±0.2)”?!

И. А. Боюсь, подобная характеристика подойдет любой головке.

Луша. Да разброс изрядный! Как раз для паспорта. Представляете, в пятом пункте будет написано: “Русская борзая”. А в скобочках: “Доберман”.

Рис. 9
Измерение модуля полного сопротивления громкоговорителя

К. К. Ну, все обсудили? Можно измерять?

Проще всего измерить fs и Qts. Для этого собираем схему рис.9.

Понятно, что в такой схеме реализуется режим генератора тока, и кривая V(f) с большой точностью повторит кривую Z(f) (рис.10).

Рис. 10
Z(f) НЧ головки. На постоянном токе значение модуля полного сопротивления минимально, имеет чисто активный характер и равно омическому сопротивлению звуковой катушки. По мере приближения к резонансной частоте заметно возрастает, приближаясь к чисто активному. Это означает, что ЭДС самоиндукции, наведенная в звуковой катушке, колеблющейся в магнитном поле, противодействует приложенному к ее выводам напряжению. Поэтому не следует удивляться, что протекающий в звуковой катушке ток на fs минимален: мы имеем дело со структурой, эквивалентной параллельному колебательному контуру.

Рис. 11
Измерение эквивалентного объема

И. А. Особенно, если головка недребезжит, ничего не касается (подвешена) или хотя бы устойчиво укреплена вдали от отражающих поверхностей.

К. К. А уж где резонансная кривая, там и резонансная частота fs и добротность Qts = √f₁f₂U₀ / (f₂ – f₁) √Um причем значения легко определить из рис.10.

Чуть сложнее дело обстоит с Vas. Тут понадобится ящичек, желательно прочный и не очень маленький, объемом Vс.

Луша. Мы всем рекомендуем такой, со среднего размера дыркой.

К. К. Приладив (просто плотно прислонив) к нему головку (рис.11), вновь измеряем fрез = fс.

Тогда Vas = Vc ((fc/fs)² – 1), однако при условии, что ящик не очень большой и fс > 2fs, то есть Vas > Vc. Хотя, кстати, это условие не кажется мне столь уж принципиальным.

Луша. А я с глубоким удовлетворением готова констатировать, что с фазоинвертором покончено.

Луша. Вот изобрести бы им фазоинвертор и остановиться на этом раз и навсегда! Так нет же! И изобретают, и изобретают, и изобретают! А потом пишут: всем, мол, хороша конструкция, но по сравнению с фазоинвертором… и т.д., и т.п…

И. А. Не могу согласиться с тем, что история исследования и разработок всего того, о чем мы еще не написали — VarioVent, лабиринт, полосовой резонатор, трансмиссионная линия и т.д.,— это история борьбы с недостатками фазоинвертора. Я видела и слышала плохие и хорошие фазоинверторы, плохие и хорошие устройства, представленные в других оформлениях. Невероятно трудно решить комплексную задачу оптимального выбора акустического оформления (с технической, экономической, конъюнктурной точек зрения). Но иметь представление о научных подходах к решению этой задачи необходимо.

Луша. То есть мне надо готовиться записывать очередные формулы?

Люди! Отчего вы живете так скучно?

К. К. VarioVent (по-русски — корпус с панелью акуcтического сопротивления, ПАС) — первая серьезная попытка избавиться от проблем закрытого ящика, не прибегая к трубе фазоинвертора. 

Луша. Как я помню, у закрытого ящика есть одна большая проблема. Частота резонанса головки в нем fc заметно выше, чем fs, так как fc = fs (Vas/Vc + 1)^0,5, что легко видеть из предыдущей формулы, свяэываюшей эти параметры. И на этой частоте головка может повести себя весьма недостойно — раскачаться в резонансе так, что потом проволоку от звуковой катушки будете с ушей сматывать.

И. А. Коллега, где она такого насмотрелась? И потом, не с ушей, а с очков…

К. К. Вот-вот… Бороться с ушами или очками можно, только снижая добротность колебательной системы на частоте резонанса. Наиболее целесообразно это делать, внося потери в упругую среду — скажем, плотно заполняя внутренность АС волокнистым материалом.

И. А. Однако существует еще один путь, аналогичным образом отражающийся на эквивалентной схеме устройства. Это панель акустического сопротивления. Она представляет собой
плотный „сэндвич” из волокнистого материала толщиной в несколько сантиметров. Он закрывает отверстие в корпусе, которое теперь уже и не является фазоинверсным.

Луша (тыкая пальцем). И не является отверстием…

К. К. Грубо говоря, у воздуха есть возможность просачиваться через войлок ПАС, правда, с большим „напрягом”. Этот процесс и обеспечивает внесение в систему столь необходимых потерь (рис.12).

Рис. 12
Корпус с панелью акустического сопротивлния

И. А. Корпус, как и в случае закрытого ящика, заполняется волокнистым материалом, но путь от головки до ПАС остается свободным.

Как правило, ПАС не рассчитывают, так как не имеют достоверной модели войлочного сэндвича. Объем АС выбирается тот же, что был рассчитан для закрытого ящика.

К. К. Звучание при хорошо выполненной ПАС упругое, сочное, хотя бас далеко не так увесист, как при использовании фазоинвертора того же объема.

Лабиринт – еще один представитель устройств, созданных в порыве борьбы с резонансным характером закрытого ящика и фазоинвертора. Но с этим “зверем” нам придется познакомиться подробнее. Лабиринт и трансмиссионная линия — это такие акустические устройства, которые не могут быть описаны эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами, как описывается, например, фазоинвертор. Здесь становятся важными не только объем, но и линейные размеры устройства.

Рис. 13
Излучающая “четвертьволновая” труба

Для начала рассмотрим трубу, для которой L»d (рис.13). С левой стороны у трубы есть поршень, правая сторона открыта. Если, начиная с нулевой частоты, поршень колеблится все быстрее и быстрее, то отыщется частота f = C₀/4L, на которой открытый конец трубы начнет активно излучать, здесь C₀ – скорость звука.

И. А. Действительно. Поршень двигается, создавая рядом с собой зону максимума звукового давления. У открытого конца трубы в любом случае давление равно нулю, но при L=Со/4f (“четвертьволновая труба”) на открытом конце трубы образуется максимум колебательной скорости воздуха. Этот максимум позволяет устройству успешно отдавать энергию с открытого конца, что на языке акустиков будет означать следующее: диффузор на частоте резонанса (f=С₀/4L) будет задемпфирован, задняя его стенка, обращенная к трубе, будет испытывать то же, что и задняя стенка диффузора головки, оформленной в фазоинвертор. Часгота f должна настраиваться на резонанс головки (то есть длина L выбирается в зависимости от резонансной частоты головки), что, впрочем, характерно и для фазоинвертора.

Итак, читатель уже, наверное, понял, что корпус с лабиринтом (рис.14) на резонансной частоте добивается того же результата, что и фазоинвертор, но другим путем.

Рис. 14
Акустический лабиринт. В отличии от традиционных АС вся масса воздуха в лабиринте оказывается соколеблющейся с диффузором. Это эквивалентно  снижению резонансной частоты головки.

К. К. Кстати, на подобном принципе основаны не только АС. Кларнет, например, типичный представитель семейства четвертьволновых резонаторов. Тот конец, в который дуют, можно считать закрытым…

Луша. Так-так. Начало хорошее. Помню, сосед на даче пытался докачать ртом колесо от машины, не вывинтив клапан…

И. А. И что? Ничего?

Луша. “Ничего” было до тех пор, пока он не догадался клапан вывинтить…

К. К. (продолжает). Тот воздух, который продувают в кларнет, нужен для возбуждения колебаний “язычка”, играющего роль поршня. Дальше все ясно.

Луша. Особенно, если играть на одной ноте.

К. К. Кстати, полная противоположность кларнету – орган. Там есть трубы, где дуют наискосок в открытый конец. А противоположный конец – закрыт.

Луша. Эдакий большой милицейский свисток. Ну и губа должна быть у органиста. Как у милиционера…

И. А. Что характерно, поведением на частоте резонанса сходство лабиринта и фазоинвертора ограничивается. Выше резонанса фа3о пввертОрцое отверстие оказывает на процессы все более и более ограниченное действие, труба же благополучно звучит на частотах 3С₀/4L, 5С₀/4L, 7С₀/4L и т.д.

Луша. Ага-а-а! То есть нот много и уже можно что-то сыграть.

К. К. Не знаю, как в кларнете, но в АС типа “лабиринт” эти резонансы считаются побочными, и с ними борются традиционными методами, то есть демпфированием с помощью звукопоглощающих материалов.

Сравним лабиринт и фазоинвертор.

Во-первых. На частоте резонанса они схожи. Заранее трудно сказать, чей объем окажется меньше, фазоинвертора: Vв=15Vas · Qts^2,87 или лабиринта: V_L=πdL, где d – диаметр диффузора, L = С₀/4f. Все зависит от параметров головки.

Во-вторых. Ниже резонанса оба “раздемпфируются”. Причем фазоинвертор ведет себя явно хуже, это легко объяснить.

В-третьих. Выше резонанса фазоинвертор ведет себя все более похоже на закрытый ящик, а лабиринт – на задемпфированную на побочных резонансах трубу.

И. А. Неполное демпфирование (гашение) резонансов на нечетных гармониках частоты настройки нередко приводит к окрашиванию звучания, кстати, крайне неприятному. Окончательное решение технологического и коммерческого вопроса в пользу фазоинвертора или лабиринта базируется на многих привходящих параметрах. Важными из них могут быть либо одни, либо другие, в зависимости от ситуации. Следует учитывать и тот факт, что существуют пристрастия: хочет, например, клиент лабиринт…

Луша. …и бандпасом и вариовентом его уже не удовлетворишь.

К. К. Если лабиринт еще поддается какому-то анализу и расчету, то в большинстве источников описания трансмиссионной линии содержат фразу типа: “Принцип действия трансмиссионной линии схож с таковым у лабиринта, хотя основные процессы не поддаются аналитическим методам анализа”.

Не буду это оспаривать. Есть разные методы. Но о6 одном сказать надо: большинство посвященных как лабиринту, так и трансмиссионной линии литературных источников, попавшихся нам при работе над статьей друг другу противоречили.

Итак, отличия трансмисионной линии от лабиринта следующие.

1. Площадь сечения трубы у трансмисионной линии оказывается переменной – она максимальна в районе диффузора и постепенно спадает к порту (отверстию на противоположном конце трубы).

2. Внутренний объем трубы трансмиссионной линии довольно плотно заполняется волокнистым материалом. Помимо функции звукопоглощения на побочных резонансах за заполнение позволяет укоротить трубу, так как резко снижает эффективную скорость звука. Многие считают, что трансмиссионная линия скорее эффективно борется с излучением задней стороны диффузора, нежели пытается использовать его. Как это делает фазоинвертор.

Луша. В мирных целях.

К. К. Отличие трансмиссионной линии от лабиринта во многом условное, терминологическое. Оба устройства – представители одного и того же типа оформления. Субъективно звучание трансмиссионной линии может оказаться очень симпатичным. Эффективная борьба с резонансными явлениями при отсутствии (если повезет) среднечастотного оокрашивания способствует созданию достоверного, не бубнящего звучания. Многие ассоциируют звучание трансмиссионной линии с “английским звуком”. Действительно, именно в Англии популярность подобного рода акустических оформлении весьма велика. В отличие от Штатов, например. Лично мне хорошо выполненные трансмиссионные линии нравятся на симфонической музыке, особенно при наличии литавр н контрабасов пиццикато…

Луша. Контрабасы пиццикато, это все равно что попкорн из свинины.

И. А. Чувствую, коллеги, что нам пора прерваться и подумать о вещах менее возвышенных.

К. К. (открывая холодильник и отгоняя собачку). Но более насущных.

В следующей части – корпус типа”полосовой резонатор” и рупорные излучатели. И с басами будет покончено. По крайней мере с тем, где они живут.

---

Там, где живут басы – 5