Як зіграють ящики
Баси в автомобілі потрібні. Це, тривіальне з точки зору багатьох, в тому числі і автора, заяву я предпосылаю всьому подальшому спеціально на користь тих, хто цю точку зору не поділяє, з тим щоб вони могли зі спокійною совістю заглибитися в інші матеріали, опубліковані в цьому номері "Салону АВ".
А ми тим часом спробуємо, в рамках відведеного обсягу журнальних смуг, визначитися, що треба робити для того, щоб за свої гроші отримати баса стільки, скільки потрібно (або скільки хочемо) і такого, якого хочемо (чи якогось потрібно).
Відома сум'яття в розумінні принципів формування басового ланки автомобільної акустики багато в чому обумовлена інформаційною політикою рекламних, а часто і довідкових публікацій. Там потенційному покупцеві в першу чергу повідомляють розмір динаміка, потім - його потужність, потім ще міфічний "діапазон частот" і завершують це переможним акордом ціни.
Всі? Не тут-то було! Тут все тільки починається. В англійській власне динамік називається driver - привід, і це дуже правильно. Подібно до того як двигун стане автомобілем тільки збагативши себе всім тим, що виробило для цього людство, так і динамік стане гучномовцем тільки в притаманному йому акустичному оформленні.
З верхнечастотными і средньочастотними головками справа щодо просто: ВЧ головки своє акустичне оформлення несуть на собі, а СЧ - вимагають мінімальних розмірах.
Інша справа - басовики. Тут майже все визначається вибором акустичного оформлення, причому в залежності від цього вибору перегляду будуть підлягати всі повідомлені вам параметри: потужність та діапазон частот, і, у відомому сенсі - ціна. Бо при вмілому виборі параметрів можна добитися звучання нудотної найдорожчого і породистого басового динаміка.
Коровай, коровай....
Журнал коротенько вже торкався основних типів акустичного оформлення, тепер настала пора "оголосити весь список". Він не такий вже довгий:
Акустичний екран 
Закритий ящик 
Фазоінвертор 
Гучномовець з пасивним випромінювачем 
Смуговий гучномовець (4-го порядку) 
Смуговий гучномовець (6-го порядку) 
Квазиполосовой гучномовець 
Трикамерний смуговий гучномовець (4-го порядку) 
Трикамерний смуговий гучномовець (6-го порядку) 
Акустичний лабіринт 
Згорнутий рупор 
Апериодическая навантаження (акустичне опір) Завдання будь-якого низькочастотного акустичного оформлення вирішується за стародавнім принципом "розділяй і володарюй". "Розділяй" означає, що коливання, що випромінюються однією стороною дифузора повинні бути відокремлені від коливань, створюваних зворотною стороною, одночасно і в протифазі з першими. "Володарюй" означає, що з відрубаними таким чином "зайвими" звуковими хвилями можна вчинити по-різному.
Історично першим акустичним оформленням був акустичний екран. Він тримає оборону, не пускаючи коливання з однієї сторони дифузора на іншу і не даючи їм взаємно знищитися аж до частот, на яких найкоротша відстань між лицьовому та зворотному стороною дифузора стане порівнянно з довжиною напівхвилі випромінюваної частоти. А нижче цієї частоти акустичний екран "розписується в повному невмінні" і надає противофазным хвилях гасити один одного як їм заманеться. Для припинення акустичного короткого замикання на частоті, скажімо, 50 Гц, щит повинен мати розмір 3 метри на 3. Тому цей вид акустичного оформлення практичне значення давно загубив, хоча і використовується до цих пір в якості еталонного при вимірюванні параметрів динаміків.
Конструктивно найпростіше акустичне оформлення з практично застосовуваних- закритий ящик (sealed або closed в зарубіжній термінології). Тут з непотрібними коливаннями надходять рішуче і круто: замкнені в замкнутому просторі позаду дифузора, вони рано чи пізно згаснуть, і перетворяться в тепло. Кількість цього тепла мізерна, але у світі акустики все носить характер малих збурень, тому те, як відбувається цей термодинамічний обмін, небайдуже для характеристик акустичної системи. Якщо дозволити звуковим хвилям всередині корпусу гучномовця бовтатися без нагляду, значна частина енергії буде розсіяна на який міститься всередині корпусу об'ємі повітря, він, нехай і незначно, нагріється і зміниться пружність повітряного об'єму, причому в бік підвищення жорсткості. Для того, щоб цього не відбувалося, застосовують заповнення внутрішнього об'єму звукопоглинальним матеріалом. Поглинаючи звук, цей матеріал (зазвичай вата, натуральна, синтетична, скляна або мінеральна), поглинає і тепло. Із-за істотно боьшей, ніж у повітря, теплоємності звукопоглинальних волокон підвищення температури стає набагато менше і динаміку "здається", що позаду нього суттєво більший обсяг, ніж не самому справі. На практиці таким способом вдається домогтися збільшення "акустичного" обсягу порівняно з геометричним на 15 - 20%. У цьому, а зовсім не в поглинання стоячих хвиль, як вважають багато хто, полягає основний сенс запровадження звукопоглинального матеріалу в закриті гучномовці.
Різновидом цього (а не попереднього, як часто вважають) типу акустичного оформлення є так званий "нескінченний екран". В англомовних джерелах такий тип оформлення називають infinite baffle або free-air. Всі наведені назви однаково дезорієнтують. Ми всі тут дорослі люди і розуміємо, що нескінченного екрану на практиці бути не може. На самому справі нескінченним екраном прийнято вважати закритий ящик з об'ємом настільки великим, що пружність укладеного всередині нього повітря значно менше пружності підвіски дифузора, так що динамік цю пружність просто не помічає, і характеристики акустичної системи визначаються тільки параметрами головки. Де проходить та межа, починаючи з якої обсяг ящика стає як би нескінченним, залежить від параметрів динаміка. Втім, при вирішенні практичних завдань таким обсягом завждивиявляється внутрішній об'єм багажника, який, навіть невеликого автомобіля буде давати реакцію "нескінченно великого" обсягу навіть для великого динаміка. Інша справа, що не кожен динамік буде добре працювати в такому оформленні, але це ми обговоримо окремо, коли будемо говорити про вибір динаміка під акустичне оформлення (або навпаки).
При всій (до речі, уявній) простоті закритого ящика як акустичного оформлення низькочастотної ланки автомобільної акустики, це рішення має багатьма достоїнствами, відсутніми у інших, більш складних конструкцій.
По-перше, простота (або майже протсота) розрахунку характеристик. У закритого скриньки є лише один параметр - внутрішній об'єм. Вже один-то можна правильно вибрати, якщо постаратися! Поле для помилок тут зведено до мінімуму.
По-друге, у всьому діапазоні частот, аж до нуля, коливання дифузора стримуються пружною реакцією повітряного обсягу всередині скриньки. Це суттєво знижує ймовірність перевантаження динаміка і його механічних пошкоджень. Не знаю, наскільки втішно це звучить, але у завзятих любителів баса динаміки в закритих ящиках, буває, горять, але практично ніколи не "выплевываются".
По-третє, тільки закритий ящик є акустичним фільтром другого порядку, тобто має спад АЧХ нижче частоти резонансу системи головка-ящик крутизною 12 дБ/окт. А саме такий крутизною, тільки в протилежним знаком, володіє АЧХ внутрішнього об'єму салону автомобіля, нижче певної частоти. Якщо вгадати, розрахувати чи виміряти (як кому пощастить) - з'являється можливість отримати ідеально горизонтальну частотну характеристику на нижніх частотах.
По-четверте, при грамотному виборі параметрів головки та обсягу для неї закритий ящик не має собі рівних в області імпульсних характеристик, значною мірою визначають суб'єктивне сприйняття басових нот.
Природний питання тепер - так в чому ж підступ? Якщо все так добре, навіщо потрібні всі інші типи акустичного оформлення?
Підступ один-єдиний. К. п. д. У закритого ящика він - найменший за порівняно з будь-яким іншим типом акустичного оформлення. При цьому чим менше нам вдасться зробити об'єм ящика, при збереженні отго ж робочого частотного діапазону, тим менше буде його ефективність. Немає більш ненаситної тварі в сенсі потужності, що підводиться, ніж закритий ящик малого обсягу, тому-то мов у них, як і було сказано, хоч і не выплевываются, але горять нерідко...
Наступний за поширеністю тип акустичного оформлення - фазоінвертор (ported, vented, bass-reflex), більш гуманний по відношенню до випромінювання тиловий сторони дифузора. У фазоинверторе частина енергії, яка в закритому ящику "ставиться до стінки" використовується в мирних цілях. Для цього внутрішній об'єм скриньки сполучається з навколишнім простором тунелем, містило у собі деяку масу повітря. Величина цієї маси вибирається таким чином, щоб, поєднанні з пружністю повітря всередині скриньки створити другу коливальну систему, яка одержує енергію від тильної сторони дифузора і випромінює її куди потрібно і у фазі в випромінюванням дифузора. Такий ефект досягається не дуже широкому діапазоні частот, від однієї до двох октав, але в його межах к. п. д. істотно зростає, за принципом "немає відходів - є неисопльзованные ресурси".
Крім більш високої к. п. д. фазоінвертор володіє ще одним найважливішим достоїнством - поблизу частоти настроювання значно зменшується амплітуда коливань дифузора. Це може на перший погляд здатися парадоксом - як наявність здоровенною діри в корпусі гучномовця може стримати рух дифузора, але тим не менш це - факт життя. У своєму робочому діапазоні фазоінвертор створює для динаміка абсолютно тепличні умови, причому точно на частоті настройки амплітуда коливань мінімальна, а велика частина звуку випромінюється тунелем. Допустима подводимая потужність тут максимальний, а спотворення, що вносяться динаміком - навпаки, мінімальні. Вище частоти налаштування тунель стає все менше і менше "прозорим" для звукових коливань, за рахунок інерції укладеної всередині нього повітряної маси, і гучномовець працює як закритий. Нижче частоти настроювання відбувається зворотне: інерція отннеля поступово сходить нанівець і на найнижчих частотах динамік працює практично без навантаження, тобто як ніби його вийняли з корпусу. Амплітуда коливань швидко зростає, а разом з нею і ризик выплевывания дифузора або пошкодження звукової котушки від удару про магнітну систему. Загалом, якщо не оберігатися, похід за новим динаміком стає реальною перспективою.
Засобом запобігання від таких неприємностей, крім обачності в вибір рівня гучності, служить використання фільтрів інфранизьких частот. Відрізаючи частину спектру, де все одно ніякого корисного сигналу не міститься (нижче 25 - 30 Гц), такі фільтри не дають дифузору йти в рознос з ризиком для власного життя і Вашого гаманця.
Фазоінвертор істотно більш примхливий до вибору параметрів настроювання, оскільки вибором, під конкретний динамік, підлягають вже три параметри: обсяг скриньки, поперечний переріз і довжина тунелю. Тунель дуже часто роблять так, щоб у вже готового сабвуфера можна було регулювати довжину тунелю, змінюючи частоту налаштування.
З-за наявності двох взаємопов'язаних коливальних систем є фазоінвертор акустичним фільтром четвертого порядку, тобто його АЧХ теоретично має спад 24 дБ/окт нижче частоти настройки. (Реально - від 18 до 24). Отримати горизонтальну АЧХ при установці в салоні практично неможливо. Залежно від співвідношення розміру салону (а, стало бути, характерної частоти, з якою починається підйом АЧХ внутрішньої акустики) і налаштування частоти фазоінвертора сумарна характеристика може мати відхилення від делікатного горба до божевільних Амурських хвиль. Горб, тобто плавний підйом АЧХ на нижчих частотах часто буває як раз тим що треба для оптимального суб'єктивного сприйняття басів в зашумленому просторі, а ось різкі перепади амплітуди при невдалому виборі параметрів здобули фазоинвертору, абсолютно незаслужено, прізвисько boom-box ("бухало"). Щоб відновити справедливість, зауважимо, що бухающего ефекту можна домогтися і від закритого ящика - я в наступний раз поясню, як; а правильно розрахований фазоінвертор здатний дати дуже ясний і музичний бас при розумній потужності, що підводиться.
Різновидом оформлення фазоінверторного є гучномовець з пасивним випромінювачем (або радіатором). Іншомовні терміни: passive radiator, drone cone. Тут друга коливальна система, що дозволяє утилізувати енергію, знімається з задньої сторони дифузора, не реалізована у вигляді маси повітря в тунелі, а у вигляді другого дифузора, ні до чого не приєднаного, але обтяжливого до требумой маси. На частоті настройки цей дифузор коливається з найбільшою амплітудою, а основний - з найменшою. З просуванням нагору частоті вони поступово міняються ролями.
До недавнього часу цей тип акустичного оформлення не знаходив застосування в мобільних установках, хоча в домашніх використовується досить часто. Причиною нелюбові були невиправдані клопоти з добування другого дифузора (це, зазвичай, такий же динамік, але без магнітної системи і звукової котушки) і труднощі в розміщенні двох великих дифузорів там, де у звичайного фазоінвертора треба розмістити дифузор і невеликий тунель. Однак останнім часом автомобільні сабвуфери з пасивним випромінювачем з'явилися - нужда змусила. Справа в тому, що останнім часом стали з'являтися динаміки нового покоління з дуже великим ходом дифузора, розраховані на роботу в малих обсягах. Обсяг "видувається" ними при роботі повітря дуже великий, і тунель довелося б робити занчительным в діаметрі (інакше швидкість повітря в тунелі зросте настільки, що він буде шипіти як паровоз). А поєднання малого обсягу та великого діаметру тунелю змушує вибирати для тонеля велику довжину. От і виявилося, що фазоінвертори звичайної конструкції для таких головок прикрасилися б трубами метрової довжини. Щоб уникнути таких нікому не потрібних казусів, воліли необхідну соколеблющуюся масу зосередити в пасивному випромінювачі з ходом дифузора, таким же, як і у активного динаміка.
Третій тип сабвуфера, досить часто використовується в автоустановках (хоча і рідше, ніж два попередніх) - смуговий гучномовець (bandpass). Іноді зустрічається назва "гучномовець з симетричними навантаженням" (symmetric loading). Якщо закритий ящик і фазоінвертор - акустичні фільтри верхніх частот, смуговий, як і випливає з назви - об'єднує в собі фільтри верхніх і нижніх частот.
Найпростіший смуговий гучномовець - одинарний 4-го порядку (single reflex). Він складається з закритого об'єму, т. зв. задньої камери і другого, забезпеченого тунелем, як у звичайного фазоінвертора (передня камера). Динамік встановлений в перегородці між камерами так, що обидві сторони дифузора працюють на повністю або частково замкнуті об'єми - звідси і термін "симетричная навантаження".
З традиційних конструкцій смуговий гучномовець, в будь-якому варіанті - чемпіон по ефективності. При цьому ефективність прямо пов'язана з шириною смуги пропускання. Частотна характеристика смугового гучномовця має вигляд дзвони. Шляхом вибору відповідних обсягів і частоти налаштування передній камери, можна побудувати сабвуфер з широкою смугою пропускання, але обмеженою віддачею, тобто дзвін буде низьким і широким, а можна - з вузькою смугою і дуже високим к. п. д. в цій смузі. Дзвін при цьому витягнеться у висоту.
Бандпасс - примхлива штука в розрахунку і найбільш трудомістка у виготовленні. Оскільки динамік закопаний всередині корпусу, доводиться йти на хитрощі по збірці ящики так, щоб наявність знімної панелі не порушувало жорсткості і герметичності конструкції. Узгодження частотних характеристик сабвуфера, салону і фронтальної акустики також пов'язано з відомою головним болем. Імпульсні характеристики теж не з кращих, особливо при широкій смузі. Чим же це компенсується?
Перш за все, як говорилося - найвищим к. п. д.
По-друге - тим, що весь звук випромінюється через тунель, а динамік повністю закритий. При компонуванні такого сабвуфера відкриваються чималі можливості для інсталятора (або любителя) з фантазією. Досить знайти невелике містечко на стику багажника і салону, гда може розміститися жерло тунелю - і шлях найпотужнішим басам відкритий. Спеціально для таких установок фірма JLAudio, наприклад, випускає гнучкі пластмасові рукава-тунелі, якими вона пропонує (і багато погоджуються) з'єднувати вихід сабвуфера з салоном. Начебто шланга пилососа, тільки товстіша і жорсткіша.
Ще більшою ефективністю володіють смугові динаміки 6-го порядку з двома тунелями. Камери такого сабвуфера налаштовуються з розносом приблизно в октаву. Подвійний бандпасс забезпечує менші спотворення в робочій смузі, оскільки динамік навантажений фазоінверторами з обох сторін дифузора, з усіма перевагами такого навантаження, але має більш крутий, порівняно з одинарним, спад АЧХ нижче робочої смуги.
Проміжне положення займає так званий квазі-смугової гучномовець, він же - з послідовною налаштуванням, де задня камера з'єднана тунелем з передньої, а передня ще одним тунелем - з навколишнім простором.
Трикамерні смугові динаміки, які являють собою просто альтернативні конструктивні реалізації звичайних смугових, і складені з двох звичайних, після чого прибрана розділяє їх стінка.
Існує ще три варіанти акустичного оформлення низькочастотної акустики, які хоч і сужществуют, але застосування практично не знаходять. Перший з аутсайдерів - акустичний лабіринт, де "відвід енергії" від тильної сторони дифузора відбувається по довгій трубі, зазвичай складеної для компактності, але все одно збільшує габарити сабвуфера до меж, неприпустимих в мобільній встановлення.
Другий - експонентний рупор, який для отримання досить низькою граничної частоти повинен мати циклопічні розміри, що робить його рідкістю використання в низькочастотному ланці навіть у стаціонарних системах, де місця більше, ніж в автомобілі.
Третій тип, що має поодинокі прецеденти застосування - гучномовець апериодической навантаженням у вигляді зосередженої акустичного опору (aperiodic membrane). У нас раніше це називалося ПАС - панель акустичного сорпотивления. Ідея полягає в тому, що навантаженням для дифузора є близкорасположенная напівпроникна перешкода, наприклад, щільна тканина або шар секловаты, затиснутий між перфорованими панелями. Теоретично, таке навантаження носить непружний характер і, як амортизатор в автомобільній підвісці, гасить акустичну енергію, не впливаючи на резонансну частоту динаміка. Але це - теоретично. А на практиці наявність повітряного об'єму між динаміком і ПАС створювало таку мішанину характеристик і реакцій, що результати ставали малопередбачувані.
Отже, з побіжного погляду на основні типи акустичного оформлення ясно, що досконалості в світі немає. Будь-який вибір буде компромісом. А щоб істота компромісу стало ясніше, давайте завершимо цю заочну зустріч як годиться - підбиттям проміжних підсумків. Порівняємо розглянуті варіанти з точки зору основних факторів, що визначають успіх їх використання в мобільній аудиоустановке.
До цих факторів слід було б віднести:
К. П. Д.
Величина к. п. д., притаманного тому чи іншому типу акустичного оформлення визначає, у кінцевому рахунку, наскільки потужний підсилювач знадобиться для досягнення необхідного рівня гучності, а заодно і наскільки важка буде життя динаміка.
В найбільш важливому з точки зору відтворення інформації басового регістра діапазоні частот 40 - 80 Гц місця розподіляться так: вузькосмугові смугові гучномовці - чемпіони в цьому заліку, особливо - двухтоннельные 6-го порядку. За ними йдуть широкосмуговий двухтоннельный і звичайний фазоінвертор. І нарешті, найбільш охочі до потужності, що підводиться - закритий ящик і широкосмуговий одинарний бандпасс.
Що вносяться спотворення
У нижній октаві - півтора музичного діапазону (30 - 80 Гц) всі типи акустичного оформлення ведуть себе пристойно при невеликих рівнях потужності. Фазоінвертор і смуговий гучномовець - трохи краще за інших, але ненабагато. А ось при великих потужностях суперники розтягуються уздовж дистанції. Найкращі результати тут слід очікувати від подвійного смугового гучномовця. За ним - одинарний смуговий і фазоінвертор. І замикає ланцюг - закритий ящик, дає найбільші спотворення при великих амплітудах сигналу.
Імпульсні характеристики
Точна передача фронтів басових інструментів - чи не головне якість для басової акустики. Небагато користі в низьких басових потугах, якщо вони будуть змазаними і млявими. В цьому відношенні закритий ящик обіцяє найкращі результати (при правильному розрахунку).Перехідні характеристики фазоінвертора можуть бути дуже гідними, але все ж в середньому поступляться закритого оформлення. Одинарні смугові гучномовці мають непогані характеристики, які, однак, погіршуються з розширенням смуги пропускання. Найгіршою реакцією на імпульсний сигнал має подвійний смуговий гучномовець, знову ж таки, в особливості - широкосмуговий.
Узгодження у фронтальній акустикою
Робота сабвуфера має бути, починаючи з певної частоти, перепоручена мидбасам фронтальної акустики. Для закритого ящика і фазоінвертора це не проблема і конструктор системи володіє неабиякою свободою у виборі частоти розділу смуг, оскільки і ця частота і крутизна спаду визначаються зовнішніми ланцюгами. А ось вузькосмугові бандпассы часто володіють власним спадом частотки вже починаючи з 70 - 80 Гц, де далеко не всі мідбаси можуть безболісно підхопити пісню. Вимоги до мидбасам при цьому ускладнюються, так і робота з кросовером простіше не стає.
Помістимо все вищесказане в таблицю, на основі звичної нам п'ятибальною системи:
Характеристика Смугової гучномовець одинарний подвійний Закритий ящик Фазоінвертор Вузька смуга Широка смуга Вузька смуга Широка смуга Спотворення на малій потужності 4 5 5 4 5 4 Спотворення на великий потужності 2 4 4 3 5 4 Імпульсні характеристики 5 4 4 2 3 2 Узгодження з фронтальним акустикою 5 5 2 4 2 4 Перевантажувальна здатність робочому діапазоні (вище 30 Гц) Transfer interrupted! 4 5 4 5 4 Перевантажувальна здатність инфранизкочастотном діапазоні (нижче 30 Гц) 5 2 5 5 2 2 Гладкість АЧХ з урахуванням внутрішньої акустики автомобіля. 5 4 2 3 2 3 Чутливість до помилок розрахунку та виготовлення 5 4 2 2 2 2Автор: Андрій Елютин, АвтоЗвук; Публікація: www.cxem.net