Материал для статьи в значительной мере почерпнут из учебника по акустике начала 80-х годов прошлого века. Прежде всего, перечислим тот набор параметров, которые будут постоянно фигурировать в дальнейшем изложении, и которые должен хорошо понимать всякий образованный человек, тем более увлекающийся аудио.

Внимание: при работе с формулами не забываем, что все входящие в них величины нужно подставлять в единицах одной и той же системы измерений. Например в системе СИ все длины, площади и объемы должны быть в соответствующих степенях метров, масса — в килограммах, скорость — в метрах в секунду и т.д. В системе СГС — соотвественно в сантиметрах, граммах, секундах.

Также имеем ввиду, что все электро-механические параметры динамиков (включая те, что здесь не приведены) весьма лабильны, зависят от условий хранения и эксплуатации, а потому легко и непринужденно, а главное самопроизвольно флуктуируют от измерения к измерению на единицы процентов (в некоторых случаях могут превышать и 10%). Поэтому получив однажды F=40Гц не стоит удивляться тому, что при повторном измерении, скажем через 2 дня, эта самая F окажется например 42Гц. Кстати, очень удобно забивать формулы в Excel и делать всякие прикидки варьируя то да сё.

Плоский экран

А проще говоря просто лист толстой фанеры или ДСП. Из-за так называемого акустического короткого замыкания (т.е. наложения излучений передней и задней поверхностей динамика, которые очевидно находятся в противофазе) даже самый-рассамый НЧ-динамик, но без акустического оформления (в дальнейшем — АО, корпуса или ящика) воспроизводит НЧ очень плохо — их практически не слышно. Но даже небольшой плоский экран в некоторой степени улучшает ситуацию. При этом экран не оказывает практически никакого влияния на воспроизведение СЧ и ВЧ. Экран можно выполнить в форме квадрата, но еще лучше — в форме прямоугольника с соотношением сторон 2,5:1. В идеале размеры экрана должны быть таковы, чтобы его площадь (a_{кв. экр.}² или 2,5b • b) была равна площади круга (π • R_идеал.²) с радиусом вычисляемым по формуле:

Отсюда сторона квадратного экрана:

В таких условиях АЧХ на НЧ получается наилучшей, однако размеры экрана в большинстве случаев оказываются неприемлемо большими. Возьмем для примера широкополосный динамик с F=45 и Q=0,5 (поршневой диаметр около 15см) — в этом случае для достижения хорошего результата в части воспроизведения НЧ нам потребуется квадратный экран со стороной 6,8м! Если же делать экран наилучшей прямоугольной формы, то габариты получатся 4,3 на 10,7 метров. Понятно что в обычной квартире такое реализовать невозможно. Если же сделать экран меньшей площади, то на частоте F следует ожидать спада, который вычисляется по формуле

где R_идеал. — идеальный эквивалентный радиус, а R_факт. — фактический. В случае квадратного экрана:

В приведенном выше примере R_идеал.=3,8м, что в пересчете на прямоугольник дает экран огромных размеров, сравнимых со стеной, да и то не во всякой квартире. Этот факт не должен вызывать удивления, поскольку самым лучшим, но не реализуемым на практике вариантом является монтаж динамика именно в стену — такое решение дает качество звучания, которое невозможно превзойти, особенно на НЧ. Главная сложность при этом состоит в том, что звук из динамика идет не только в то помещение, где проводится прослушивание, но и в то, куда динамик обращен тыльной стороной.

Если же уменьшить экран до относительно рациональных размеров — скажем 2,5 • 1м, то R_факт.=0,89м. Отсюда ухудшение воспроизведения НЧ — почти −13дБ, т.е. потеря баса более чем существенная, а от F=45Гц по сути не остается и следа.

В любом случае динамик необходимо врезать строго по центру экрана, ибо любое смещение в сторону ухудшает АЧХ и понижает чувствительность. Настоятельно рекомендуется монтировать динамик заподлицо с передней плоскостью экрана, ибо в противном случае перед головкой образуется пусть и короткая, но труба, столб воздуха в которой будет резонировать на ряде частот и тем самым ухудшать качество звучания.

Открытый корпус или диполь

Представляет собой ящик, у которого задняя стенка вообще отсутствует, либо имеет ряд сквозных отверстий. В этом случае наибольшее влияние на АЧХ оказывает передняя стенка и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боковые стенки на АЧХ практически не влияют. Таким образом, важен вовсе не внутренний объем ящика, а площадь его передней стенки. Однако благодаря наличию боковых стенок, фактический эквивалентный радиус передней стенки можно делать на 30% меньше теоретически необходимого (см. выше).

В рамках вышеприведенного примера это означает, что если вместо плоского экрана возжелать смонтировать динамик в открытый корпус с боковыми стенками, то в случае квадратной передней стенки ее сторону можно без особой потери качества звучания уменьшить с 6,8 до 4,8м, от чего правда задача не становится более реалистичной.

Если сделать открытый корпус глубоким, то он может начать резонировать как труба на частотах тем более низких, чем больше длина трубы. Поэтому делать открытый корпус очень уж глубоким не стоит. Кроме того, нигде кроме задней стенки не должно быть никаких щелей или отверстий (особенно касается передней стенки). Также нельзя загораживать чем бы то ни было заднюю поверхность динамика. Все остальные рекомендации — те же, что и для плоского экрана. Суммарная площадь перфораций в задней стенке должна составлять не менее 20% ее площади. Лицевая панель, в которой крепятся динамики, должна быть не тоньше 15мм.

Корпус с лабиринтом (в зарубежной литературе Transmission Line)

Это весьма интересное решение было предложено как способ борьбы с акустическим коротким замыканием. Из рисунка видно, что задняя сторона диффузора работает на лабиринт-звукопровод, образованный рядом перегородок. Поперечное сечение лабиринта — как правило, прямоугольное. Его площадь делается примерно равной площади диффузора. Выпрямленная длина лабиринта должна быть равной ½ длины волны на частоте F, благодаря чему излучение из выходного отверстия лабиринта будет синфазно с излучением передней стороны диффузора. Так например половина длины волны на 50Гц составляет 343/50/2 ≈ 3,4м — следовательно и длина лабиринта должна быть такой же. Внутренние стенки лабиринта желательно покрывать слабо набитыми и простеганными ватными матами.

Рупор на бас и рупор с тыльной нагрузкой

Одно из самых сложных для изготовления и трудно просчитываемых АО. Важнейшим параметром рупора является коэффициент расширения, т.е. прирост площади поперечного сечения в направлении от динамика к устью рупора. Обычно рупоры проектируют при помощи трактрисы. Площадь устья и длина рупора определяют частоту среза на НЧ. С повышением частоты среза размеры корпуса резко уменьшаются. Ниже частоты среза отдача резко падает — обычно 24 дБ/окт. или даже больше, т.е. бас пропадает практически полностью.

В такие АО как правило монтируют широкополосные динамики, излучение тыльной стороны которых уходит в рупор (откуда собственно и название, см. картинку справа), который действует как акустический преобразователь.

Инверсный рупор

Очень редкий вид АО производившийся только B&W и nOrh. Хотя данное АО достаточно тесно связано с апериодической нагрузкой, для достижения хорошего результат оно, в отличие от бас-рупоров или корпусов с лабиринтом, не должно быть особо большим. Результативно инверсный рупор напоминает бесконечный плоский экран, хотя в прямом смысле он таковым совершенно не является, поскольку излучение тыльной стороны динамика уходит не в другое помещение, а в коническую трубу содержащую демпфирующий материал. При грамотном проектировании излучение тыльной стороны НЧ-динамика полностью рассеивается в конусе. Конус может закрытым или открытым. В первом случае это будет закрытый ящик особой формы, к которому тем не менее применимы расчеты для обычного закрытого корпуса. Во втором случае это некий аналог апериодической нагрузки, который действует как нечто среднее между корпусом с лабиринтом и сложной фазоинверторной системой.

Апериодическая конструкция

По сути это все тот же закрытый корпус, но только не герметичный, а имеющий небольшой «свисток», который также называют акустическим резистором. В общем и целом к апериодической конструкции примениым все расчеты для закрытых корпусов. Цель апериодической конструкции — обеспечить корпус меньшего размера, чем если бы это был герметично закупоренный ящик. Если запихнуть НЧ-динамик в слишком маленькую для него герметичную коробку, добротность системы Q_ящик резко повысится, что сильно ухудшит воспроизведение низких частот и создаст большой пик на кривой импеданса. Но если позволить корпусу пропускать воздух, то эти недостатки можно сгладить. Апериодические конструкции — не тоже самое, что фазоинверторные. Существенная разница между ними состоит в том, что ФИ действует как резонатор Гельмгольца настроенный на определенную частоту — при грамотном проектировании это существенно улучшает воспроизведение НЧ. Апериодическая же конструкция не имеет характерного резонанса и действует исключительно как акустическое сопротивление. Как обычно, уменьшение размеров АО может быть достигнуто за счет повышения F₃ и более крутого спада НЧ по сравнению с закрытым корпусом (18 дБ/окт.).

Апериодические конструкции в основном производились Dynaudio и назывались variovents (вариовентами), а также Scan-Speak, которые называют их flow resistor (сопротивление потоку).

Закрытый корпус

Хотя в плане компромисса между габаритами АС и воспроизведением НЧ данное решение является одним из лучших, в процентном отношении АС закрытого типа составляют явное меньшинство. Суть решения заключается в том, что задняя поверхность диффузора не излучает в пространство и, таким образом, полностью отсутствует акустическое короткое замыкание. Однако при этом возникает другая проблема — диффузор должен превозмогать упругость воздуха в объеме герметично закрытого ящика. Наличие этой упругости приводит к повышению F_ящик, что, в свою очередь, ухудшает воспроизведение НЧ. Для того чтобы F_ящик повышалась не очень сильно, нужны динамики с тяжелой подвижной системой (диффузор + катушка), что позволяет снизить резонансную частоту согласно формуле:

где С_возд. — упругость воздуха в ящике.

Нетрудно догадаться, что повышение массы подвижной системы влечет за собой снижение чувствительности (т.е. громкости звучания при одном и том же положении ручки громкости). Особо низкой чувствительностью отличаются малогабаритные акустические системы (типа настольных), упругость объема воздуха внутри корпусов которых существенно больше упругости крепления подвесной системы (C_возд. >> C).

И вот здесь мы подходим к очень важному и серьезному моменту. Если добротность Q_ящик (т.е. добротность на резонансной частоте динамика, вмонтированного в АО) превышает 1, то в этом случае подвижная система оказывается раздемпфированной тем больше, чем выше Q_ящик. Это означает, что при воспроизведении музыки НЧ-динамик будет дополнительно колебаться с частотой собственных колебаний, близкой к F_ящик. На слух это воспринимается как знаменитая «грязь на низах», т.е. подмешивание к фонограмме той или иной разновидности гудения или бубнения. Теоретически это явление начинает возникать уже при Q_ящик=0,7, но отчетливую слышимость приобретает лишь по мере приближения к 1.

С другой стороны, чем меньше добротность, тем больше спад АЧХ на F_ящик. Так, например, при Q_ящик=0,8 он составляет −3дБ, а при Q_ящик=0,5 — уже −6дБ. Но если компенсировать такой спад в усилителе, то система с низкой добротностью дает существенно более высокое качество звучания.

В остальном же закрытые ящики необходимо выполнять так, чтобы не было даже небольших щелей или отверстий, наличие которых может превратить закрытую систему в открытую. Размеры ящика рекомендуется делать как можно больше, однако и здесь есть свой предел, выше которого подниматься смысла нет:

где Ø — в сантиметрах, M — в граммах, а объем получится соответственно в литрах. Если продолжать увеличивать объем ящика сверх V_макс, то снижение резонансной частоты системы F_ящик будет практически незаметно, т.е. увеличения отдачи на НЧ больше не будет. Что же касается минимально допустимого объема ящика, то он выбирается так, чтобы из-за повышения F_ящик итоговая добротность Q_ящик не превышала 1. Итоговая добротность акустической системы определяется через добротность НЧ-головки как

Отсюда

Однако может оказаться, что при таком минимальном акустическом оформлении итоговая F_ящик окажется слишком высокой — тогда нужно увеличивать объем до получения приемлемой резонансной частоты.

В качестве примера опять-таки рассмотрим НЧ-динамик с F=45Гц, Q=0,5, V_экв.=50л и Ø=15см, для которого требуется сделать АО минимальных габаритов, но чтобы при этом Q_ящик=0,8. В этом случае Vмин.=32л, а итоговая F_ящик=72Гц, что не очень-то хорошо. Если же мы хотим чтобы F_ящик была хотя бы 55Гц, то теоретически нам потребуется АО объемом 100 литров, а это (в случае параллелепипеда) ящик размером порядка В•Ш•Г::80•45•35. Однако на практике (при указанных исходных характеристиках) увеличение объема АО свыше 50л уже не приведет к дальнейшему увеличению отдачи на НЧ.

Уменьшение резонансных явлений внутри закрытого ящика достигается путем обивки его звукопоглощающими материалами, наиболее доступным из которых является хлопчатобумажная вата, которую распределяют по внутреннему объему из расчета примерно 15г/л.

Чаще всего АО (как закрытого, так и фазоинверторного типа) выполняют в форме параллелепипеда с соотношением сторон В:Ш:Г ≡ 1 : 0,55 : 0,41. Однако периодически предпринимаются попытки придавать АО иные формы. На графиках можно видеть, насколько это влияет на неравномерность АЧХ.

Зависимость неравномерности АЧХ АС от формы акустического оформления.

Нетрудно видеть, что самая равномерная АЧХ получается при корпусе в форме шара. Здорово. Где только такой взять? Несколько менее хороший, но все равно очень приличный результат дают корпуса в форме гнутого воздухопровода. Еще не легче. 3-е место делят ящики в форме вертикально поставленного цилиндра и всем нам привычных вертикально поставленных коробок (параллелепипедов). Наибольшая херня получается, если монтировать динамики в торец трубы — хоть с круглым сечением, хоть с прямоугольным. Познавательно однако!

Корпус с фазоинвертором

Стремление получить относительно хорошее воспроизведение НЧ при сравнительно небольшом АО привело к изобретению фазоинвертора (в западной терминологии bass-reflex). Конструкция очень простая — в корпусе закрытой системы делается щель или отверстие, в которое часто вставляется трубка.

Суть решения состоит в том, что упругость объема воздуха в АО резонирует на какой-то частоте с массой воздуха в отверстии или трубке — эта частота называется резонансной частотой фазоинвертора (в дальнейшем ФИ). Таким образом, акустическая система в целом становится состоящей как бы из двух резонансных систем — подвижной системы динамика и АО с отверстием. При этом подвижная система динамика ведет себя как последовательный резонансный контур, а ФИ — как параллельный.

АО с фазоинвертором. а) Устройство б) Исходная и примененная аналоговые электрические схемы, где m0, c0, r0 — масса, гибкость и активное сопротивление подвижной системы динамика, с1 — гибкость воздуха внутри АО, а m1 и r1 — масса и активное сопротивление щели, дырки или трубки ФИ.

При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих систем воспроизведение НЧ должно быть лучше по сравнению с закрытыми АО и уж тем более открытыми АО с точно таким же объемом АО. Это объясняется тем, что на частотах выше резонансной частоты ФИ скорость колебаний частот в ФИ имеет более благоприятный сдвиг по фазе относительно скорости колебаний тыльной стороны диффузора, чем в случае открытой системы, когда от передней и задней ее сторон приходят колебания, сдвинутые относительно друг друга на 180°.

Чтобы получить шанс на достижение необходимого эффекта необходимо воспользоваться следующим набором кривых

1. Добротность динамика Q на резонансной частоте F
2. Отношение резонансной частоты ФИ к резонансной частоте НЧ-динамика F_фи/F
3. Отношение частоты F₃ (это частота, на которой НЧ ослабевают на −3дБ) к резонансной частоте динамика F.

Все эти величины даны в зависимости от V_экв./V.

Фундаментальные кривые для расчета ФИ. По оси абсцисс — отношение Vэкв. к реальному объему АО. Среди прочего из данных графиков следуют как минимум два любопытных вывода: Динамики с Q<0,1 и Q>0,55 в АО с ФИ видимо вообще не устанавливаются. Поэтому если при измерениях параметров Тиля-Смолла выясняется, что в каких-то колонках с ФИ НЧ-динамики имеют Q выходящую за указанные пределы, то производитель мягко говоря схалтурил. Если реальный объем АО больше Vэкв. более чем в 2 раза или меньше Vэкв. более чем в 10 раз, то говорить о ФИ опять-таки бессмысленно.

Вот эти графики — это самое главное, без них ничего путного сделать нельзя. В который раз обратимся к типичному примеру: имеется НЧ-динамик с F=45Гц, Q=0,5 и V_экв.=50л. Порядок действий:

1. Проводим горизонтальную прямую по уровню Q=0,5 (шкала ординат слева) и находим абсциссу ее пересечения с кривой №1 — 0,6. Получаем отсюда, что реальный объем АО следует делать 50/0,6=83л.
2. Перпендикуляр опущенный из точки найденной в предыдущем пункте пересекает кривую №2 в точке с ординатой 0,8 (здесь смотрим шкалу справа). Получаем отсюда, что резонансная частота ФИ должна быть 45•0,8=36Гц.
3. Аналогичное пересечение с кривой №3 происходит в точке с ординатой 0,7. Получаем отсюда, что спад НЧ на −3дБ будет на частоте 45•0,7=31,5Гц.

Сделаем классический ФИ в виде трубки, помня о том, что максимальное значение диаметра трубки ограничивается тем, что определенная по формуле длина ее должна быть не больше 1/12 длины волны на резонансной частоте F (т.е. L < 2858/F, см). Кроме того, трубка не должна упираться в противоположную стенку — расстояние до нее должно быть не менее 4см. Размеры трубки определяются из уравнения:

в которое L и Ð подставляются в сантиметрах, а V — в литрах. Из формулы очевидно, что диаметр трубки и ее длина могут находиться в самых разных соотношениях, т.е. при одной и той же эффективности форма ФИ может быть различной. Если же делается не трубка, а отверстие, то его диаметр рекомендуется делать как можно больше и никак не меньше половины диаметра диффузора (т.е. не менее Ø/2).

Возвращаясь к нашему примеру: если попытаться сделать трубку диаметром 5см (что довольно типично), то в этом случае ее длина оказывается отрицательной! Увеличим диаметр ФИ до 10см — тогда его длина должна быть всего 5,4см и возможно имеет смысл вместо трубки сделать просто отверстие диаметром 8см и длиной всего 2,1см, что прекрасно соответствует толщине передней стенки. Кроме того, диаметр отверстия 8см отлично удовлетворяет условию «не менее половины диаметра диффузора», который в нашем примере составляет 15см. Аналогично, заведомо удовлетворяется условие «не больше 1/12 длины волны на резонансной частоте F», что применительно к нашему случаю означает, что трубка не должна быть длиннее 63см. 

Таким образом, многие типовые колонки (кроме малогабаритных, настольных, а также экзотических форм) можно проверить на проработанность их конструкции производителем.

Для начала снимаем размеры трубки ФИ (длину м диаметр) и вычисляем примерный внутренний свободный объем АО — для всех этих измерений нужна только рулетка:

где V — в литрах, все длины — в сантиметрах. Измерить резонансную частоту басовика (хоть без АО, хоть с ним) без специнструментария нельзя. Но в целом как бы понятно, что НЧ-динамики с мягкими подвесами и глубоким ходом должны иметь низкую F, а короткоходовые на жестких подвесах — высокую. В любом случае, даже не зная точного значения резонансной частоты, можно рассмотреть два варианта: F=20Гц и F=50Гц и соотнести их с фактическим ФИ.

Проиллюстрирую примером из реальной жизни. Внешние габариты АС: 59•36•22, что дает V≈31л. Трубка ФИ имеет типичный диаметр 5см и очень маленькую длину 3см (чуть толще передней стенки, т.е. по сути это не ФИ, а просто отверстие). Подстановка этих цифр в уравнение для расчета ФИ приводит нас к заключению, что такая конфигурация подошла бы для басовика с F=51Гц, тогда как у нашего басовика она около 27Гц (на него есть данные). Другими словами: что-то здесь не то — то ли производитель реально накосячил, то ли еще что... Можно ли с этим что-то сделать в плане улучшения?

Для начала вспомним, что если взять правильно сконструированное АО с ФИ (правильное в смысле рассчитанное под конкретный НЧ-динамик с известными параметрами Тиля-Смолла) и начать изменять его характеристики, то это приведет к тому, что измененное АО будет больше подходить к какому-то другому НЧ-динамику. В частности, при прочих неизменных характеристиках:

• F «повышается» при а) уменьшении длины ФИ; б) увеличении диаметра ФИ; в) уменьшении объема АО
• F «понижается» при а) увеличении длины ФИ; б) уменьшении диаметра ФИ; в) увеличении объема АО

Слова «повышается/понижается» взяты в кавычки потому что в реальности мы не снижаем F (она какая есть — такая и есть), а лишь оптимизируем неправильно сконструированное АО под динамик с актуальной F.

Увеличить размеры АО нельзя, но можно посмотреть, не слишком ли много внутри набивки, хотя существенно «снизить» F за счет изъятия лишней «ваты» невозможно — максимум на пару Гц. Теоретически можно уменьшить диаметр ФИ, но гораздо проще и лучше — увеличить его длину. Расчет показывает, что если резонасная частота F установленного басовика действительно где-то около 28-30Гц (без специнструментария это не узнать, но можно сравнить звучание до и после — после должно быть заметно сочнее), то в этом случае при уже выпиленном диаметре 5см длина трубки должна быть 18см, а никак не 3. Следовательно можно попробовать вставить в существующий ФИ дополнительную трубку, а поскольку в результате этого (за счет стенок) будет «съедена» некоторая часть существующего диаметра, то новый ФИ будет чуть тоньше (скажем 4,6см в диаметре), благодаря чему трубку можно взять длиной уже не 18, а 15см. Кроме того, такая трубка не будет упираться в заднюю стенку — останутся требуемые 4см.

А вот совсем другой пример — АС того же производителя, которые в свое время использовались во ВНИИРПА им. Попова как эталон, с которым сравнивали звучание АС производившихся в СССР. Внешние габариты АС: 71•40•33, что дает V≈66л. Трубка ФИ имеет диаметр 7см и длину 15см. Подстановка этих цифр в уравнение для расчета ФИ приводит нас к заключению, что такая конфигурация подошла бы для басовика с F=29Гц, что более чем реалистично (хотя точных данных на басовик нет).

Конструирование любой (сколь угодно полосной) АС начинается с выбора НЧ-динамика (басовика) — именно его характеристики (частота основного резонанса F, добротность Q, эквивалентный объем V_экв., чувствительность, шумовая мощность) определяют все последующие шаги и конструкцию АО (корпуса), о чем было рассказано выше. Затем выбирают СЧ-динамик — так чтобы он мог без перегрузок работать с басовиком, и наконец ВЧ-динамик (пищалку).

Поскольку НЧ-динамик, как это следует из самого названия, предназначен для воспроизведения лишь низких частот, то его в любом случае, как говорится, обрезают сверху, т.е. ограничивают полосу поступающих на него частот с помощью фильтра высоких частот. Это необходимо не только потому, что направленность НЧ-динамика с повышением частоты сильно сужается (что вызывает большую неоднородность АЧХ), но скорее даже потому что НЧ-динамики имеют очень сильные резонансы в самой чувствительной для человеческого уха зоне средних частот (см. здесь). СЧ-динамики всегда обрезают как снизу, так и сверху, а ВЧ-динамики — только снизу.

Все фильтры рассчитываются на определенную частоту, называемую частотой резделения или частотой перехода. В зависимости от конструкции фильтра (1-го, 2-го или 3-го порядка) обеспечивается разная крутизна затухания справа или слева от выбранной частоты перехода — соответственно 6, 12 или 18 дБ на октаву, где под октавой понимается удвоение (при обрезании сверху) или ополовинивание (при обрезании снизу) частоты перехода. Теоретически можно сделать фильтр и 4-го, да хоть 5-го порядка, но благодаря тому что в этом а) нет абсолютно никакой необходимости и б) практическая реализация таких схем сопряжена с большими трудностями, переходные фильтры высоких порядков не применяются.

Двухполосные АС состоят из двух динамиков (басовика и пищалки) и имеют соответственно всего 1 зону перехода: басовик обрезается сверху, пищалка — снизу. Обычно частота перехода для обоих динамиков берется одна и та же, но иногда для достижения лучшей частотной характеристики пищалку обрезают не на той же частоте, что и басовик, а несколько выше. Кроме того, крутизна затухания справа и слева совершенно не обязаны быть одного и того же порядка — все определяется гладкостью итоговой АЧХ. Трехполосные АС состоят из трех динамиков (басовика, среднечастотника и пищалки) и имеют уже 2 зоны перехода. Четырехполосные АС состоят из четырех динамиков (басовика, мид-басовика, среднечастнотника и пищалки) и имеют соответственно уже 3 зоны перехода. Понятно что двухполосная конструкция принципиально не может обеспечить поршневой режим работы динамиков, трехполосная АС в этом плане существенно лучше, а четырехполосная — конечно не идеальна, но очень близка к тому.

В любом случае обрезание басовиков (даже в двухполосных АС) практически никогда не делается выше 2кГц. Понятно также, что по мере увеличения числа полос частота обрезания басовика снижается и может опускаться даже ниже 250Гц, что уже вплотную приближается к схеме «сабвуфер-сателлиты». Аналогично, среднечастотники никогда не обрезают выше 8кГц (обычно около 6кГц), поскольку с повышением частоты направленность их излучения становится слишком остроугольной.

Дальнейший материал полезен отнюдь не только тем, кто, предположим, собирается сам сконструировать свои АС — он также чрезвычайно важен для любого обладателя винтажных АС, т.е. АС возраст которых перевалил за 40 лет. Причиной тому является то, что характеристики любых электро-механических изделий (а АС безусловно относятся к таковым) со временем дрейфуют в очень широких пределах, нередко за пределы допустимого. Верхом наивности является убежденность в том, что какие-то пусть даже супер-топ-уровневые АС (см. примеры) приобретенные за миллионы под гипнозом сладкоголосых торгашей и обозревателей, предположим даже в практически идеальном состоянии (внешне), будут звучать как положено, а точнее так, как они звучали на момент производства. И речь вовсе не о дефектах (вроде мертвых, поджаренных или еще как-то поврежденных динамиков или вмешательстве в конструкцию с целью мнимого «улучшения», что кстати встречается сплошь и рядом) — речь о естественном старении определенных материалов, которое сопровождается серьезной утратой первоначальных свойств и характеристик. Что уж там говорить про дефекты... По сути, любые винтажные АС (вне зависимости от степени их крутизны, редкости и дороговизны) совершенно необходимо в определенном смысле разработать с нуля, т.е. как минимум проверить их текущее состояние на  допустимость основных характеристик, ибо сюрпризы могут быть поистине огромные.

Итак, прежде всего берем басовик (извлекаем из корпуса) и измеряем его актуальные характеристики: импеданс, резонансную частоту F безо всякого АО, добротность Q, эквивалентный объем V_экв. Важный момент: в сети иногда можно найти старые графики и прочие данные на тот или иной динамик, но с позиций сегодняшнего дня к этому следует относиться сугубо как к очень приблизительному ориентиру, не более того. При проектировании АС с нуля необходимо также знать чувствительность (грубо говоря это мера того насколько громко он играет) и шумовую мощность, но в случае готового изделия, которое необходимо проверить, а не переделать, эти данные особой роли не играют, хотя обращаться к ним мы периодически будем (в образовательных целях). Повторяю еще раз: наша задача — в буквальном смысле заново спроектировать данную АС с учетом текущих характеристик ее комплектующих, а не тех что были когда-то (30, 40 или более лет тому назад) и то не факт.

После измерения основных характеристик басовика необходимо сделать прикидки в отношении первого разделительного фильтра, который будет производить его обрезание сверху. Любой разделительный фильтр рассчитывается исходя из кокретной нагрузки (обычно 4, 6 или 8Ом), которая по сути является входным сопротивлением динамика постоянному току — это именно его, за неимением лучшего, приводят в паспорте в качестве так называемого номинального сопротивления. Но никакой динамик, не говоря уже про целую АС из нескольких динамиков да еще с фильтрами, даже близко не является простым сопротивлением. Реальные устройства такого типа характеризутся не сопротивлением, а импедансом, который представляет собой сложное электрическое сопротивление, в состав которого входит не только примитивное номинальное сопротивление (которое элементарно измеряется любым мультиметром), но также и реактивные компоненты зависящие от частоты, как то индуктивное и ёмкостное сопротивления. Более того, импеданс является комплексной величиной (в смысле комплексных чисел) и предствляет собой аж трехмерный график (в случае АС он часто похож на поросячий хвост) в координатах амплитуда-фаза-частота. Именно поэтому когда говорят об импедансе как о численной величине, говорят о его модуле (это такая математическая операция над компалексными числами). С точки зрения исследований наибольший интерес представляют проекции поросячьего хвоста на две плоскости: а) амплитуда-от-частоты и б) фаза-от-частоты. Обе этих проекции представленные на одном графике, носят название графика Боде. Третья проекция амплитуда-от-фазы носит название графика Найквиста.

Кстати, стандарт DIN требовал чтобы реальные колебания модуля импеданса (или просто импеданса с учетом того что мы понимаем о чем собственно идет речь) составляли не более ±20% от цифры номинального сопротивления указываемой в документации хоть на динамики, хоть на целые АС. Однако реальность как обычно намного хуже — отклонения реального импеданса от того, что указано в бумажках или на шильдиках, легко и непринужденно достигают ±40% и даже превышают этот размах! Поэтому строго говоря, разделительный фильтр рассчитанный исходя из одной-единственной цифры (4, 6 или 8Ом, а по-другому ничего рассчитать как бы и нельзя) обеспечивает требуемое затухание (6, 12 или 18дБ/окт.) только на тех частотах, где импеданс действительно равен этой самой цифре, например 6Ом — и это может быть всего одна точка. В тех же областях, где импеданс существенно выше (скажем 9Ом или выше) затухание будет меньше требуемого, что особенно заметно при использовании фильтров 1-го и 2-го порядков. Поэтому иногда приходится параллельно с динамиком включать так называемые RC-добавки компенсирующие рост импеданса. Расчет такой добавки производится согласно формуле:

Где R_ном. — паспортное номинальное сопротивление (обычно 4, 6 или 8Ом), а f₊₃ — частота, на которой значение импеданса динамика увеличивается в √2=1,41 раза (+3дБ). Данное увеличение необходимо отсчитывать двигаясь вправо от минимума на графике импеданса, который представляет собой электромеханический резонанс.

Далее предстоит правильно согласовать этот конкретный НЧ-динамик с СЧ- и/или ВЧ-динамиками, каждый из которых не только может иметь R_ном. отличающееся от такового басовика (скажем у басовика оно 4Ом, а у пищалки 8Ом), но и гарантировано будет обладать существенно иной чувствительностью, т.е. громкостью звучания при одном и том же подводимом напряжении. Другими словами: необходимо привести уровни звукового давления всех динамиков к таковому НЧ-динамика, поскольку он и только он определяет итоговую чувствительность всей АС. При этом нужно помнить, что фильтр, обрезающий басовик сверху, всегда понижает его паспортную чувствительность как минимум на 2дБ (за счет потерь на активном сопротивлении катушек индуктивности включенных последовательно с НЧ-динамиком). К счастью это практически не касается ни СЧ-, ни ВЧ-динамиков, которые также включаются через разделительные фильтры — поэтому делать поправки к их паспортной чувствительности необходимости нет.

Для решения означенной задачи применяют так называемые делители, т.е. пары резисторов включаемые после фильтра, один из которых (R₁) включается последовательно с СЧ- или ВЧ-динамиком, а другой (R₂) — параллельно. Расчет производится согласно формулам:

где R_ном. — номинальное сопротивление динамика, а K — коэффициент зависящий от требуемого затухания, которое должен обеспечивать делитель.

..

Элементы разделительного фильтра первого порядка, который содержит всего одну индуктивность (на НЧ) и одну ёмкость (на ВЧ), рассчитывают по следующим формулам:

Для фильтров второго и третьего порядков базовые формулы те же, но добавляются дополнительные коэффициенты. Фильтр второго порядка содержит и на НЧ, и на ВЧ по индуктивности и ёмкости, причем к индуктивностям добавляется множитель 1,41, а к ёмкостям — 0,71. Фильтр третьего порядка устроен сложнее — две индуктивности и одна емкость на НЧ и две емкости и одна индуктивность на ВЧ, а коэффициенты соответственно L•1,5 C•1,33 L•0,5 и C•0,67 L•0,75 C•2.

К сказанному можно еще добавить, что обычно ВЧ-динамики включают через фильтры 3-го порядка, которые обеспечивают максимальное затухание слева, что очень важно для предохранения пищалок от перегрузки обусловленной тем, что частота их основного резонанса (аналог частоты F басовика) находится в области не только наиболее чувствительной для слуха, но и плотность звуковой информации там чрезвычайно высока. В любом случае частота разделения должна быть по крайней мере на октаву выше основного резонанса ВЧ-динамика.

Практические уроки

Рассмотрим двухполосную АС производства Lo-D (Hitachi) 1973 года выпуска, на динамики которой сохранилось немало необходимых данных, и которая физически имеется в наличии, а следовательно динамики можно извлечь и измерить их текущие характеристики (по прошествии 50-то лет). Кроме того можно изучить установленные в ней переходные фильтры и оценить а) насколько правильно они были спроектированы 50 лет назад; б) насколько они соответствуют текущим характеристикам динамиков; в) рассчитать новые актуальные фильтры если старые задаче не соответствуют. Важнейшей особенностью конструкции является штатным образом предусмотренная возможность биампинга, т.е. эксплуатации АС с внешним гибко настраиваемым электронным кроссовером в обход пассивных переходных фильтров с неизменяемыми характеристиками (перепайку не рассматриваем). Наконец можно оценить, насколько адекватно АО с фазонвертором, в котором эти динамики работают.

Басовик

	F		Q		M		Rном.		F+3		Vэкв.		Чувствит.		Мощость		Ø
заявлено:	27		0,27		19		8		1500		неизв.		89,5		20
по факту 1:	47,6		0,54		21		6,55		1039		23,4		87,9		неизв.		15
по факту 2:	49,7		0,58		20,5		6,51		1078		22		87,8		неизв.		15

Пищалка

	Rном.		Чувствит.		Мощость		F		Q
заявлено:	8		101		8		2000		-
по факту 1:	6,92		неизв.		неизв.		1959		2,9
по факту 2:	6,96		неизв.		неизв.		1965		2,5

Начнем, как и положено, с НЧ-динамика и определяемого им АО. Как видим, измеренные характеристики серьзно расходятся с заявленными: реальная F больше в 1,8 раз, добротность — в 2 раза, номинальное сопротивление не 8, а 6,5 (остальное так сказать в рамках погрешности). Столь сильные изменения едва ли могут быть вызваны возрастом — скорее всего характеристики динамиков изначально не соответствовали тому что написано на этикетке (дополнительные подтверждения этому мы увидим ниже). «Как это так?» — это к сожалению вопрос без ответа. Из любопытства опытным путем в серии измерений установлено, что для того чтобы понизить F данных динамиков до заявленной, нужно увеличить массу подвижной системы (катушки с прикрепленной к ней диафрагмой) на 53 грамма, т.е. в 3,5 раза!

Из вышеприведенных графиков следует, что при добротности НЧ-динамика 0,54 фазоинвертор практически утрачивает смысл, хотя если все же попытаться натянуть сову на глобус, то получается что внутренний объем АО должен быть около 23/0,45=50л, при этом резонансная частота ФИ должна быть 0,75•48=36Гц. Воспользовавшись уравнением для расчета ФИ получаем, что при диаметре 5см длина трубки стремится практически к 0, а пусть даже 3см она может быть только при диаметре 6,5см.

Фактические габариты АС: 59•36,5•25 (фронтальная ниша −2,5см к глубине), что дает V≈30л. Трубка ФИ имеет типичный для многих АС диаметр 5см, но очень маленькую длину 3см — это чуть толще передней стенки, т.е. по сути это не ФИ, а просто отверстие. Подстановка этих цифр в уравнение для расчета ФИ приводит нас к заключению, что оптимальнее либо удлиннить трубку до 4,2см оставив диаметр 5см, либо оставить длину 3см, ужав диаметр до 4,5см. Может показаться, что в данном конкретном случае это выглядит как ловля блох, однако настройка резонанса — дело достаточно тонкое и весьма чувствительное даже к небольшим изменениям параметров (а нам просто необходимо чтобы басовик и ФИ входили в правильный резонанс друг с другом). Кстати, с помощью все того же уравнения для расчета ФИ можно прикинуть, какой объем АО должен быть в идеале при тех F, L и Ð, которые мы имеем — он получается 35л, что несколько больше реальных 30л. Напомню в этой связи еще раз, что вычислить точный внутренний свободный объем АО невозможно — возможна только прикидка. В любом случае, даже если внутри ящика не было бы вообще ничего, то при указанных размерах его внутренний свободный объем был бы от силы 32,7л. А ведь внутри находятся кроссовер, достаточно крупный магнит басовика, корзина басовика, не так чтобы маленький корпус рупорной пищалки и детали крепежа — и все это съедает пространство.

Резюме по данному этапу таково: как ни крути, данное АО сделано меньших размеров чем нужно бы. Да, оно неплохо (хоть и не идеально) соответствует НЧ-динамику с F=48Гц, но добротность 0,54 сильно портит все дело — такая добротность не только делает практически бесполезным ФИ, но и требует в 1,7 раз большего АО. Даже если допустить, что за 50 лет с динамиками действительно что-то произошло и они утратили свои первоначальные характеристики, то это предположение разрушается простым расчетом. Если исходить из того, что 50 лет назад динамики реально имели F=27Гц и Q=0,27, то их эквивалентный объем должен быть 140 литров, что нереально для сравнительно небольшого басовика диаметром 15см. Но еще убедительнее то, что фактические размеры АО и ФИ говорят о том, что такое АО рассчитывалось под динамик с F в районе 50Гц, а реальные измерения дают почти такую же частоту, что едва ли является случайным совпадением.

А что если смонтировать такой НЧ-динамик в закрытое АО (без ФИ)? В этом случае максимальный разумный объем АО получается 42 литра, а минимальный — 10л, что неприемлемо из-за того что F_ящик поднимется аж до 87Гц, т.е. баса практически не будет. Если же в имеющемся АО законопатить ФИ, превратив его таким образом в закрытый корпус, то F_ящик составит уже 64Гц (при максимальном объеме АО это было бы 60Гц).

Далее, судя по схеме никакой RC-добавки к басовику здесь нет, что представляется логичным в свете того что F₊₃ вроде как составляет 1,5кГц, а делать обрезание производитель рекомендует ниже 3,5кГц, т.е. при частоте разделения скажем 2кГц все ненужное и так прекрасно «зарежется». Весьма благопристойная АЧХ басовика без сильных резонансов в СЧ-области также говорит в пользу этого. По факту же F₊₃ приходится практически на 1кГц, что сулит некоторые проблемы с выпячиванием где-то на участке 1-3кГц.

Поскольку и НЧ-, и ВЧ-динамик вроде как имеют одинаковые R_ном.=8Ом, то для расчета делителя дополнительные поправки не нужны, а вполне достаточно простой разницы между чувствительностями: 101−89,5-1,5=10дБ. Это приводит нас к R₁=5,5Ом и R₂=3,6Ом, что как бы соответствует данным производителя.

Разница в 10дБ — это 3,16 раз по звуковому давлению и 3,16²=10 раз по мощности. Таким образом максимальная мощность ВЧ-динамика приведенная к НЧ-динамику составляет 8Вт•10=80Вт, что не то что не меньше мощности басовика (как это обычно бывает), а в 4 раза больше! По сути это означает, что при перегрузках на музыкальном сигнале скорее выйдет из строя басовик, а не пищалка. С другой стороны, частота основного резонанса пищалки, как это видно из графика импеданса, составляет что-то около 1,9кГц, т.е. обрезание снизу требуется на частоте не менее 4кГц.

Не закончено...

Обратимся к очень любопытной формуле:

Где F — резонансная частота НЧ-динамика без АО, M — масса подвижной системы (катушка + диффузор), Vэкв. — эквивалентный объем динамика, V — фактический объем АО, С_ящик — гибкость воздуха в ящике, а C — гибкость крепления подвижной системы (гофр-шайба за динамиком + внешний подвес). Из этой формулы следует, что

Безусловно это не самое наглядное и простое уравнение, но с его помощью можно посмотреть, что произойдет если гибкость подвесной системы динамика уменьшится (скажем в результате задубения). Исходим из того, что масса подвижной системы остается неизменной (куда ей деваться?), гибкость воздуха в АО — аналогично, резонансная частота если и меняется, то несущественно, а вот гибкость подвесной системы падает скажем на 10% — что произойдет с объемом АО?

..

Большинство типичных динамиков представляют собой так называемые линейные моторы постоянного тока, состоящие из системы магнитов и звуковой катушки (в дальнейшем ЗК), хотя постоянным током там и не пахнет. Просто мотором постоянного тока считается устройство, в котором действительно постоянное магнитное поле воздействует на проводник с переменным током, т.е. ЗК. Никаких вращающихся магнитных полей и всего остального, что порождает мотор переменного тока, тут конечно же нет. От обычного мотора постоянного тока мотор динамика отличается тем что, во-первых, вытянут в линию и создает соответственно прямолинейное, а не вращательное движение, а во-вторых — не имеет коллектора за полной его ненадобностью.

Пять основых частей мотора динамика — те же самые что и 100 лет назад, никаких принципиальных изменений со времен выдачи первого патента в 1925 году не было: магнит (на всех рисунках — фиолетовый), полюсный наконечник (синий), передний и задний магнитопроводы (зеленые) и ЗК. Первые 4 элемента должны создавать как можно более мощное магнитное поле сконцентрированное в зазоре между полюсным наконечником и верхним магнитопроводом, а ЗК должна в этом самом поле двигаться при протекании по ней тока. Как обычно: на вид все просто, а на практике... хуже не придумаешь.

Самая консервативная часть мотора — материал магнитопроводов — ничего кроме магнитомягких материалов, а проще говоря отожженной малоуглеродистой стали (по сути чистого железа) в этом деле не применяется.

С материалами магнитов колдовали долго — пробовали разнообразные литые магниты из спецсплавов, но с появлением ферритовых композитов вопрос можно сказать закрылся. Металлические магниты ныне применяются почти исключительно в пищалках, где масса магнита мала и можно использовать редкоземельные сплавы, почти всегда на основые неодима. Крупных магнитов из неодимовых сплавов не делают поскольку элемент этот реально редкий и большая часть его запасов идет на изготовление прецизионных электроприводов и микродвигателей.

Одна из главных проблем — как обеспечить эффективное взаимодействие магнитного поля и ЗК, которая в него погружена. Геометрия и пропорции рабочего зазора магнитной системы и ЗК — необъятный простор противоречий и компромиссов. Основной параметр определяющий результаты этого взаимодействия — силовой фактор B•L (произведение индукции в зазоре на длину провода звуковой катушки в нем находящейся), который как правило приводится в документации на породистые динамики. Чем больше силовой фактор, тем лучше контролируется движение диффузора и тем больше его электрическое демпфирование. Ясно, что чем массивнее магнит, тем силовой фактор больше, поскольку больше индукция. Но индукция зависит также и от размеров собственно зазора — чем шире кольцевая щель, чем больше ее диаметр, чем она глубже (т.е. чем толще верхний магнитопровод) — тем меньше в зазоре индукция, ибо магнитное поле размазывается. Если же сделать зазор маленьким и неглубоким, то в него не влезет ЗК намотанная толстым проводом. Если намотать ЗК тонким проводом — вырастет сопротивление и упадет отдача и т.д. А если еще принять во внимание, что диаметр ЗК влияет на поведение диффузора, то все становится еще сложнее. Существует два типа геометрии ЗК в зазоре: 

Длинная катушка (в западной терминологии overhung)		Короткая катушка (в западной терминологии underhung)

Длинная ЗК по длине существенно больше толщины зазора — в каждый момент времени работает только та часть ее витков, что находятся непосредственно в зазоре. Такой динамик будет работать в линейном режиме до тех пор, пока ЗК не сместится настолько, что в зазор войдет ее край. То насколько ЗК длиннее зазора определяет знаменитый X_max, т.е. максимальный линейный ход диффузора. В таких случаях плотность намотки стараются сделать наибольшей — это может быть ленточная намотка плоским проводом уложенным на ребро, двух- или трехслойная намотка обычным круглым проводом, а высший пилотаж — намотка шестигранным проводом. Длинные катушки применяются в большинстве НЧ-динамиков поскольку позволяют получить большую индукцию в коротком зазоре, сделать ЗК большой, хорошо охлаждаемой и естественно получить большой ход диффузора.

Короткая катушка в пределах линейного режима находится полностью внутри магнитного зазора. Сам зазор естественно приходится делать длиннее, а катушку короче — поэтому типичные значения силового фактора у таких динамиков логичным образом меньше. Казалось бы, все говорит против такой конструкции, но именно она обеспечивает наименьшие искажения при большом смещении диффузора. Типичная картина выглядит следующим образом:

Как видим, у длинной ЗК поведение в линейном режиме хорошее, а за его пределами силовой фактор (а значит и искажения) меняется сравнительно плавно. У короткой же катушки при выходе из зазора искажения нарастают гораздо круче, но пока этого не случилось — линейность просто идеальная. Именно поэтому динамики с короткой катушкой при умеренных громкостях обеспечивают наименьшие искажения. Из-за необходимости делать достаточно мощную магнитную структуру динами с короткими катушками как правило стоят дороже аналогичных динамиков с длинными катушками.

Интересный пример, демонстрирующий насколько по-разному различные сочетания длины ЗК и толщины зазора влияют на поведение динамика на границе его линейного режима. Возьмем два динамика: у одного толщина зазора — 8мм, длина ЗК — 12мм, а у другого — 4 и 8мм соответственно. X_max (максимальный рабочий ход) у обоих динамиков одинаков: (12-8)/2 = (8-4)/2 = 2мм. Однако у первого отношение толщины зазора к X_max: 8/2=4, а у второго: 4/2=2, из-за чего у первого нелинейные искажения будут нарастать плавно, а второй захрипит уже при небольшом превышении X_max. Поэтому имеет смысл в документации обращать внимание не только на Xmax, но и на толщину верхнего магнитопровода — чем больше, тем лучше.

В общем и целом и та, и другая конструкция может давать прекрасные результаты, но как бы очевидно, что для приближения к линейности короткой катушки конструкции с длинной катушкой требуют более тщательного проектирования магнитной системы.

Магнитные системы бывают с выхлопным отверстием и без такового. Смысл организации выхлопного отверстия в том, что если основная часть диафрагмы может беспрепятственно излучать как вперед, так и назад, то под плотным пылезащитным колпачком, закрывающим сплошной полюсный наконечник, возникает компрессия. Чтобы этого не происходило, в полюсном наконечнике делается сквозное отверстие. Другим вариантом решения является негерметичный пылезащитный колпачок либо щели в зоне стыковки ЗК с диффузором.

В ряде случаев (особенно если речь идет об СЧ- или ВЧ-динамиках) пылезащитные колпачки не ставят вообще — вместо них в полюсный наконечник ввинчивается так называемая «фазовая пробка», которая представляет собой «шишку» той или иной формы. Смысл подобной конструкции в том, что она призвана устранять резонансное взаимодействие стенок конуса (диффузора) с пылезащитным колпачком, что как считается ухудшает частотную характеристику динамика на верхнем краю его рабочего диапазона.

Другим источником искажений является асимметрия магнитного поля в зазоре, которая возникает из-за того что силовые линии вылезают из зазор образуя поля рассеяния. Но поскольку над зазором ничего нет, а под зазором — сталь полюсного наконечника, то рассеяние происходит несимметрично. Для наведения симметрии применяют более сложную геометрию — удлинняют полюсный наконечник, либо делают его со ступенькой, а то и со специальной выемкой.

Удлинение полюсного наконечника позволяет выровнять магнитное поле, однако за это приходится платить общим увеличением рассеяния — силовые линии лезут по стволу вверх, тогда как место им в зазоре. Соответственно для компенсации возрастающего рассеяния приходится ставить более мощные магниты.

В полюсном наконечнике со ступенькой более тощий ствол тянет на себя меньше силовых линий и они поневоле локализуются в зазоре. Однако при этом возрастает общее магнитное сопротивление системы и падает индукция в зазоре. Вообще, магнитное сопротивление стараются делать как можно меньшим, а для этого полюсный наконечник выполняют заодно с нижним магнитопроводом — чтобы не было лишнего стыка. Хотя такой подход безусловно геморрройнее чем сборка раздельных частей.

Полюсные наконечники с выемкой встречаются нечасто, поскольку помимо усложнения технологии возрастает еще и чувствительность к разбросу характеристик магнитов.

прикрепленные к диафрагме (обычно конической или купольной). Хороший мотор должен обеспечивать линейное соответствие между входным сигналом и результирующим движением, а его конструкция должна обеспечивать хорошее отведение тепла от звуковой катушки (в дальнешем ЗК). Хотя свойства диафрагмы безусловно важны, многие инженеры полагают что звучание динамика все же в большей степени определяется мотором.