Жанр: Учеба
Информация об аудио-компонентах
... очень важное значение для получения
высококачественного звука. В корпусе в виде ящика с параллельными
стенками излучаемые задней стороной диффузора звуковые волны испытывают
многократные отражения и образуют многочисленные стоячие волны на
частотах, длины волн которых кратны соответствующим размерам корпуса.
Кроме того, отраженная от стенок корпуса звуковая волна "догоняет"
диффузор громкоговорителя и воздействует на него, приводя к
возникновению в звучании акусти- ческой системы паразитных призвуков и
размытости звука. Это явление носит название "задержанные резонансы" и
существенным образом влияет на качество звучания акустической системы.
Для борьбы с этой напастью внутренний объем акустической системы
заглушают различными звукопоглощающими материалами, что способствует
заметному снижению амплитуды стоячих волн внутри корпуса АС. Иногда для
решения этой проблемы используют "хитрую" (например, сферическую) форму
корпуса. После достаточно короткого периода увлечения шаровыми колонками
в 70-е годы, когда такие акустические системы даже выпускались серийно в
весьма заметных объемах (помните знаменитые "шары" на тонкой
ножке-подставке от фирмы Grundig или отечественные круглые АС от радиолы
"Вега"?), в настоящее время такие акустические системы уже практически
не выпускаются. И немудрено, так как весьма трудно вписать в интерьер
современной квартиры пару "шаров" диаметром по полметра каждый.
Гораздо проще проблема уменьшения внутренних отражений звука внутри
корпуса АС решается многими фирмами путем использования ими корпусов с
непараллельными стенками и корпусов в виде усеченной пирамиды. Примером
таких "неправильных" корпусов могут служить, например, акустические
системы английской фирмы Tannoy. Эти акустические системы имеют верхнюю
и нижнюю панели в форме трапеции, при этом лицевая панель имеет большую
ширину, чем задняя стенка.
Фирма B&W в акустической системе DM302 предложила другой путь борьбы
с внутренними отражениями и резонансами. Не мудрствуя лукаво, инженеры
этой фирмы предложили просто-напросто "погасить" энергию звуковых волн
от задней поверхности диффузора при помощи специальной структуры из
клиньев, помещенных внутрь корпуса АС. Эта идея была заимствована ими у
конструкторов безэховых звуковых камер и дала хорошие результаты. "Лес"
поглотителей, "растущий" на задней панели акустической системы,
обеспечивает эффективное рассекание фронта звуковой волны и поглощение
ее энергии. Кстати фирме B&W принадлежит авторство еще одной чрезвычайно
интересной идей в "корпусостроительстве" акустических систем. Речь идет
о пр°дложенной ее патентованной матричной (сотовой) конструкции корпуса
АС с использованием в нем внутренней матрицы из многочисленных
пересекающихся внутри корпуса горизонтальных и вертикальных
распорок-перегородок. В результате применения этой технологии в
знаменитых АС серии Matrix 800 корпуса характеризуются чрезвычайно
высокой жесткостью, что практически исключает его вибрации и паразитное
излучение звука от корпуса колонки. На некоторых частотах корпус любой
акустической системы вдруг "обретает свой голос", что приводит к
заметной "окраске" (т.е. изменению тембра) звучания колонки. Чем меньше
уровень этих излучений, тем меньше "отсебятины" вносит акустика в звук и
тем она лучше.
Закрытые и фазоинверторные
В зависимости от исполнения корпуса акустические системы разделяют на
несколько типов по их акустическому оформлению. Самым простым
акустическим оформлением является герметично закрытый корпус
акустической системы, который так и называют - акустическая система
закрытого типа. Преимуществом такого типа корпуса являются простота и
хорошие переходные характеристики акустической системы, недостатком -
сложность получения достаточно низкой граничной рабочей частоты. Причина
этого уже упоминалась выше и заключается в том, что общая упругость
системы повышается, а это приводит к увеличению частоты НЧ-резонанса
низкочастотного громкоговорителя, установленного в закрытом корпусе АС.
Соответственно повышается нижняя граничная частота диапазона рабочих
частот акустической системы и уменьшается уровень ее звукового давления
на низких частотах: прощай, глубокий бас. Этот недостаток акустического
оформления во многом удалось преодолеть в акустических системах с
фазоинвертором. Внешне акустические системы этого типа отличаются от
закрытых акустических систем наличием у них на передней (или задней)
стенке выходного отверстия (порта) фазоинвертора, соединяющего
внутренний объем акустической системы с внешним миром. Таким образом,
фазоинвертор - это сочетание геометрических размеров внутреннего объема
и трубы, обеспечивающее заданную резонанснуючастоту системы. Зачем это
сделано и что это дает? Оказывается, столь простое конструктивное
решение ("дырка от бублика") позволяет существенно понизить нижнюю
граничную частоту акустической системы и заметно увеличить уровень ее
звукового давления на низких частотах. Механизм работы фазоинвертора
заключается в том, что специально рассчитанный акустический
резонатор-фазоинвертор производит инверсию (переворот) фазы звуковой
волны, излучаемой тыльной стороной диффузора. Эта перевернутая звуковая
волна с выхода фазоинвертора суммируется со звуковой волной от
фронтальной поверхности диффузора, что и приводит к существенному
увеличению уровня звукового давления громкоговорителя на частоте
настройки фазоинвертора. Достоинства этого типа акустического оформления
хорошо известны, недаром сегодня по крайней мере 9 из 10 акустических
систем, выпускаемых в мире, имеют фазоинвертор. Судите сами: при равных
размерах корпуса закрытой и фазоинверсной АС акустические системы с
фазоинвертором имеют в 1,26 раза меньшую нижнюю граничную частоту при
равном КПД для обоих типов систем. Если же сконструировать оба типа АС
так, чтобы у них были одинаковые размеры корпуса и равные нижние
граничные частоты, то акустическая система с фазоинвертором будет иметь
на 3 дБ больший КПД, чем конкурирующая "закрытая" акустическая система.
Наконец при одинаковых КПД и нижней граничной частоте акустическая
система с фазоинвертором будет иметь существенно меньшие размеры по
сравнению с АС закрытого типа. Однако справедливости ради стоит
отметить, что за все хорошее в жизни надо платить, и акустические
системы фазоинверторного типа не являются в этом смысле исключением.
Расплатой за вышеупомянутые преимущества этого типа акустического
оформления являются ухудшение (по сравнению с АС закрытого типа)
переходных характеристик и усложнение согласования АС с усилителем.
Фазоинвертор "живет" своей жизнью, время нарастания фронта звукового
сигнала и длительность затухания его свободных колебаний определяется
только акустической добротностью фазоинвертора.
Субъективно это проявляется, например, в "бухающем" звуке большого
барабана, глухом звуке литавр, в размытости щипка струны контрабаса и
т.д.
Однако в массовых моделях акустических систем преимущества от
применения фазоинвертора перевешивают его недостатки, так как
существенно улучшают глубину звучания басов. Поэтому сегодня
акустические системы этого типа составляют львиную долю выпуска в
производственных программах ведущих мировых Кроме рассмотренных выше,
существуют и другие типы акустического оформления АС, которые, однако,
распространены существенно меньше.
Английская фирма TDL Electronics, например, является верной
поклонницей АС с акустическим оформлением типа "лабиринт". Задняя
сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок
зигзагообразный звуковод - лабиринт, длину которого выбирают равной
примерно половине длины волны на нижней граничной частоте системы.
Благодаря этому излучение из выходного отверстия лабиринта будет
совпадать с акустическими колебаниями от передней стороны диффузора
головки.
Две или три полосы
Рассмотрим теперь вопрос о том, сколько динамических головок должна
иметь хорошая акустическая система. Идеальная акустическая система
должна иметь только один широкополосный громкоговоритель,
воспроизводящий полную полосу частот 20-20000 Гц. Однако, так как к
громкоговорителю предъявляют различные, а зачастую взаимоисключающие
требования при работе его в различных полосах частот, сделать такой
идеальный громкоговоритель практически невозможно, по крайне мере за
приемлемую цену. Поэтому подавляющее большинство современных
акустических систем имеют по две и более головки, работающих в различных
полосах частот. Современные АС среднего класса обычно выполняются
двухполосными и имеют по одному низкочастотному (НЧ) и одному
высокочастотному громкоговорителю (ВЧ). Так как в "двухполосниках"
низкочастотный громкоговоритель отвечает также и за воспроизведение
средних частот, низкочастотные громкоговорители в таких системах
обозначают как НЧ/СЧ-громкоговорители. Более сложные трехполосные АС
имеют дополнительно еще и 1-2 среднечастотных (СЧ) громкоговорителя.
Акустические системы с 4 и более частотными полосами хотя и
присутствуют на рынке, однако в очень ограниченном количестве, поэтому в
данном обзоре не будут рассматриваться.
Итак, оба типа: двух- и трехполосные громкоговорители имеют свои
достоинства и недостатки. Очевидным преимуществом двухполосных
акустических систем является их более простая и дешевая конструкция, так
как в них используются обычно всего два громкоговорителя и сравнительно
простые разделительные фильтры. Поэтому их переходная характеристика в
общем случае лучше, а согласованность излучения НЧ- и ВЧ-головок выше,
чем в многополосных системах. Благодаря этому они получили сегодня
широкое распространение. Однако и у "двухполосников", к сожалению, есть
определенные недостатки. С учетом необходимости согласования диаграмм
направленности НЧ/СЧ и ВЧ-динамиков в полосе частот их совместного
излучения отношение диаметров соответствующих диффузоров не может быть
очень большим. Поскольку типовые диаметры купольных излучателей
современных твитеров (ВЧ-головок) составляют 19-25 мм, приемлемые
результаты могут быть получены при размерах диффузоров НЧ/СЧ-динамиков
не более 150-200 мм в диаметре. Поэтому при использовании больших
диффузоров в звучании будет хорошо слышимый "скачок" на частоте раздела
полос громкоговорителей, который приводит к заметным нарушениям
"виртуальной" сцены. По этой причине в большинстве современных
двухполосных АС используют НЧ/СЧ-динамики с диффузорами 100-180 мм. Но
"вытащив хвост", у конструкторов АС тут же "увяз клюв", так как такие
низкочастотники имеют заметно меньшую отдачу при излучении нижних басов
по сравнению с "настоящими" басовиками (диаметр 315-400 мм). Кроме того,
так как единственная частота раздела в двухполосных громкоговорителях
выносится выше области максимальной чувствительности слуха,
НЧ/СЧ-головки этих систем должны хорошо воспроизводить не только низкие,
но и средние частоты. Это предъявляет повышенные требования к качеству
НЧ/СЧ-головок. Создание по настоящему качественных динамиков
предполагает широкое применение современных методов измерения,
компьютерное моделирование и использование новейших материалов с
уникальными механическими свойствами (кевлар, армирование диффузоров
углеродными волокнами и т.д.).
Но любая двухполосная акустика всегда является серьезным компромиссом
в стремлении удовлетворить одновременно множеству противоречивых
требований.
Никто не спорит, что компромисс может быть найден очень удачно и
воплощенный в конструкцию хороших двухполосных АС баланс этих требований
способен обеспечить очень и очень неплохие результаты. Однако, если
конструктор акустической системы поставил себе целью добиться
выдающегося качества звучания, ему намного проще добиться поставленной
цели использовав трех- (или даже более) полосную конструкцию. В этом
случае у него появляется гораздо больше свободы, например, в выборе типа
и размера НЧ-громкоговорителя. Так как размеры типовых СЧ-динамиков
всегда значительно больше, чем у твитеров, требование по соблюдению
заданных соотношений размеров НЧ- и СЧ-громкоговорителей (в данном
случае) легко выполняются даже для самых больших НЧ-громкоговорителей
диаметром 315-400 мм. Представляете, какой глубокий и мощный бас выдаст
такая "шляпа" в соответствующем акустическом оформлении? От появления в
акустической системе третьего громкоговорителя существенно выигрывает и
качество звучания средних частот, так как в этом случае их воспроизводит
специально разработанный и оптимизированный для этой цели динамик.
Однако и у трехполосных акустических систем есть своя "ахиллесова пята"
(точнее, несколько "пят"). Во-первых, для того чтобы каждый
громкоговоритель уверенно воспроизводил только "свой" звуковой сигнал, в
трехполосных АС применяют довольно сложные схемы разделительных
фильтров. Эти фильтры, в свою очередь, вносят фазовые и временные
искажения, приводящие к размыванию фронта звуковой волны. Поэтому в
общем случае многополосные акустические системы имеют худшие переходные
характеристики, чем двухполосные АС.
Во-вторых, частоты раздела полое сигналов громкоговорителей, как
правило, выбираются в диапазонах 300-700 Гц и 4,5-7 кГц, которые
попадают в область высокой чувствительности слуха человека, что
предъявляет особые требования к качеству исполнения разделительных
фильтров и самих громкоговорителей.
Так что и у многополосных систем свои проблемы. Как говорится, "нет в
жизни аудиофила счастья". Однако не все так мрачно.
Акустическое материаловедение
Стремительный прогресс в развитии современной аудиотехники привел к
замечательным результатам: качество звучания акустических систем
неуклонно растет, а их цена падает. Совершенствуются буквально все
элементы АС.
Наиболее быстро прогрессируют громкоговорители. В конструкции
современных НЧ-громкоговорителей все шире используются новейшие
материалы, обеспечивающие одновременно и жесткость, и легкость
диффузоров при повышенном декременте затухания колебаний в материале
диффузора. Хотя до сих пор в качестве материала для диффузоров
НЧ-громкоговорителей все еще широко применяется бумага с различными
пропитками, все шире используются и диффузоры из полипропилена, зачастую
армированного волокнами из углерода для повышения его жесткости. С
легкой руки фирмы B&W все большее количество фирм (B&W, Cabasse и т.д.)
начинает изготавливать диффузоры громкоговорителей из кевлара -
искусственного тканого материала с просто уникальным сочетанием его
механических свойств, разработанного в рамках космических программ NASA.
Для повышения чувствительности акустических систем в новых моделях
громкоговорителей широко применяют магниты с повышенной коэрцитивной
силой, изготавливаемые как с использованием ферритов, так и сплавов
редкоземельных элементов (ниодим, самрий, кобальт и т.д.). Стремительное
развитие цифровых технологий записи звука предъявляет повышенные
требования к конструкции ВЧ-громкоговорителей. Дело в том, что
существовавшие до появления CD звуковые носители (магнитофонная лента,
виниловые грампластинки) в силу физических принципов аудиозаписи на них
имели ограниченный динамический диапазон вообще и по высоким частотам в
частности. Так, всеми нами любимая магнитофонная лента при увеличении
уровня высоких частот при записи неизбежно начинает их ограничивать,
достигая уровня своего насыщения на этой частоте. И никакие Dolby Hx-Pro
о не помогут реализовать на частоте 20 кГц в кассетнике динамический
диапазон свыше 40-50 дБ. А на CD - пожалуйста! В связи с возрастанием
средней мощности звукового сигнала на высоких частотах все чаще в
конструкции современных ВЧ-динамиков применяется охлаждающая магнитная
жидкость, помещаемая в зазоре магнитной системы громкоговорителя Эта
жидкость представляет собой суспензию магнитного порошка (феррита) в
минеральном масле, которая эффективноно охлаждает звуковую катушку
"пищалки" Однако, так как эта же магнитная жидкость вместе с тем
демпфирует подвижную систему громкоговорителя, однозначного мнения о
целесообразности использования в "пищалках" магнитной жидкости сегодня
нет. Наблюдается плюрализм и в отношении материала, из которого
изготавливается диффузор твитера. В чем, однако, едины практически все
производители акустики, так это в вопросе о форме диффузора: современные
"пищалки" выпускаются только с купольным полусферическим диффузором
(Dome). Он может быть либо мягким (шелковая ткань с пропиткой, некоторые
виды пластиковых пленок), либо с жестким металлическим (алюминий, титан
и т.д.). Преимуществом мягких диффузоров является хорошее затухание
паразитных колебаний в материале диффузора, недостаток - относительно
большая масса (и, как следствие, меньшая чувствительность и худшая
передаточная характеристика). "Жесткие" металлические "пищалки",
напротив, легкие и чувствительные, но обладают целым набором паразитных
резонансов, придающих звучанию высоких частот характерную
"металлическую" окраску. В лучших современных "пищалках" используется
комбинированная конструкция - "мягкий" купол с напыленными на его
поверхность дополнительными тонкими металлическими слоями. Однако они -
при отличном качестве звука - относительно сложны в производстве и стоят
значительно дороже. Что касается конструкции современных СЧ-динамиков,
то сегодня наблюдается повсеместный "ренесанс" конусных
среднечастотников, тогда как в конце 80-х годов господствовали купольные
СЧ-громкоговорители.
Благодаря прогрессу в развитии аудиотехники, в частности, широкому
применению новых типов пластиковых диффузоров, звучат современные
среднечастотники отменно.
Часто приходится слышать споры о том, какие материалы лучше для
изготовления диффузора: бумага (картон) или пластик? В пользу бумаги
обычно приводят такие аргументы, как большая натуральность и теплота
звучания бумаги по сравнению с искусственным и холодным звуком
пластикового диффузора. Бумажные диффузоры, как правило, тяжелее, чем
пластиковые, и поэтому несколько хуже воспроизводят импульсные сигналы
(удар в барабан).
Кроме того, их параметры могут меняться со временем из-за процессов
старения бумаги и испарения пропиточной мастики, что может привести к
заметному изменению характера звучания АС. С другой стороны, современные
пластиковые материалы (например, полипропилен), имея отличный баланс
механических свойств: легкость, жесткость, высокие внутренние потери в
материале диффузора, - тоже невечны. Так что однозначный ответ на этот
вопрос дать трудно.
О направленности
Рассмотрим теперь вопросы направленности излучения акустической
системы.
Как следует из теории акустики, идеальным источником звука является
"точечный" излучатель, то есть такой излучатель, размерами которого по
сравнению с длиной излучаемой им звуковой волны можно пренебречь. К
сожалению, реальные акустические системы весьма далеки от такого
идеального излучателя и, более того, имеют различную диаграмму
направленности для разных частот звукового сигнала. Как было отмечено
выше, ширина диаграммы направленности громкоговорителя определяется
отношением длины волны излучаемого им звукового сигнала и
геометрического размера (диаметра) диффузора громкоговорителя. Кроме
того, диаграмма направленности в области совместного действия излучения
двух громкоговорителей АС зависит от взаимного фазового сдвига их
сигналов, определяемых схемой разделительного фильтра акустической
системы. Однако и в этом направлении сегодня имеются конструктивные
решения, обеспечивающие настоящий технологический прорыв в создании
громкоговорителей с характеристиками направленности, близкими к
идеальному "точечному" излучателю. Речь идет о знаменитых коаксиальных
громкоговорителях, используемых в акустических системах английских фирм
Tannoy и KEF (серия Uni-Q).
Коаксиальные двухполосные излучатели представляют собой собранные на
единой магнитной системе среднечастотный и высокочастотный
громкоговорители.
Купольная "пищалка" собрана на внутреннем керне магнитной системы и
находится внутри конусного диффузора среднечастотного громкоговорителя,
который является своеобразным рупором-звуководом для звуковых волн,
излучаемых "пищалкой". Такие излучатели обладают рядом уникальных
особенностей, заметно выделяющих их из массы других громкоговорителей.
Во-первых, благодаря используемой конструкции, центры излучения ВЧ и
СЧ-громкоговорителей находятся практически в одной точке, что исключает
возникновение фазовых и временных искажений излучаемых ими сигналов.
Во-вторых, так как излучение средних и высоких частот физически
осуществляется из одной точки пространства (условно), излучатели типа
Uni-Q имеют хорошую диаграмму направленности на этих частотах благодаря
этим серьезным преимуществам, звучание акустических систем с
коаксиальными излучателями характеризуется отличной локализацией
источников звука в пространстве.
Разделяй и властвуй
В акустических системах с электродинамическими головками для
согласования их характеристик и диаграмм направленности используют
разделительные фильтры. Кроме того, так как центры излучения этих
громкоговорителей (примерно совпадающих с местом расположения звуковой
катушки громкоговорителя) сдвинуты относительно друг друга (глубина СЧи
особенно НЧ-громкоговорителя намного больше, чем у ВЧгромкоговорителя),
при расчете разделительных фильтров приходится
учитывать необходимость коррекции возникающего при этом временного
сдвига в излучаемой этими громкоговорителями звуковой волне с помощью
фазокорректирующих цепочек.
Уменьшение временной задержки в излучении различных громкоговорителей
можно добиться и чисто конструктивными методами, смещая ВЧ- и СЧ-головку
внутрь корпуса АС, например, используя наклонную переднюю панель
акустической системы с "заваленной" назад верхней частью.
Что касается собственно самих разделительных фильтров, то их роль в
современной АС существенно возросла. Это вызвано, с одной стороны,
резким повышением требований слушателей к качеству звучания
аудиоаппаратуры вообще и акустических систем в частности, а с другой
стороны - возросшим качеством современных громкоговорителей. В этих
условиях неоптимальное подключение громкоговорителей в акустической
системе не позволит полностью реализовать потенциально высокое качество
этих громкоговорителей. Поэтому разработчики современных фильтров для
акустических систем учитывают при их проектировании не только требования
обеспечить максимально плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в полосе пропускания
фильтра, но и учитывают при расчете элементов схемы фильтра изменение
комплексного сопротивления громкоговорителя на разных частотах,
требования обеспечения заданной диаграммы направленности акустической
системы на этих частотах и т.д. Все это стало возможным благодаря
широкому использованию при проектировании АС численных методов
компьютерного моделирования и проектирования.
В современных акустических системах используются как простейшие
разделительные фильтры 1-го порядка, так и многозвенные фильтры 4-го и
даже 6-го порядка. Достоинством разделительных фильтров 1-го порядка
(применяются, как правило, только в двухполосных АС) является хорошая
переходная характеристика акустической системы (фронты сигналов
воспроизводятся без паразитных выбросов), недостатком - малая крутизна
фильтра в полосе затухания (6 дБ/октава), в результате чего имеется
широкий частотный диапазон совместной работы НЧ-и СЧ-громкоговорителей.
Многозвенные фильтры высоких порядков обеспечивают существенно
большую крутизну спада характеристики в полосе затухания (12, 18 и даже
24 дБ/октава), но имеют худшую переходную характеристику и волнистую АЧХ
в полосе пропускания фильтра. В зависимости от критерия выбора
аппроксимирующей АЧХ фильтра математической функции различают несколько
типов разделительных фильтров.
Фильтры Баттерворта имеют линейную АЧХ в полосе пропускания фильтра,
резко обрывающуюся в полосе затухания фильтра. Однако переходная
характеристика таких фильтров носит сильно выраженный колебательный
характер. Фильтры Бесселя также имеют линейную АЧХ в полосе пропускания
и сравнительно резкий спад в полосе затухания. Однако благодаря линейной
зависимости фазового сдвига сигнала в зависимости от его частоты
переходная характеристика АС с такими фильтрами хотя и имеет выброс на
АЧХ, но не имеет колебательного характера. Фильтры Чебышева имеют
чрезвычайно резкий спад АЧХ в полосе затухания, однако АЧХ фильтра в его
полосе
...Закладка в соц.сетях
