Автозвук: Часть 4 - типы акустического оформления

Автозвук: Устанавливаем сами. Часть 4 - типы акустического оформления и характеристики головок.
02.06.03, Анатолий Шихатов

ТИПЫ АКУСТИЧЕСКОГО ОФОРМЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОЛОВОК

    Чтобы стереофоническая АС в автомобиле обеспечивала высококачественное звучание, ее необходимо правильно спроектировать и тщательно установить. В этом разделе даны краткие рекомендации, которые позволят избежать наиболее типичных ошибок, способных свести на нет все конструкторские ухищрения.
    Любая динамическая головка требует определенного акустического оформления. Можно подбирать головки под имеющийся тип оформления, либо наоборот, рассчитать необходимое акустическое оформление для имеющихся в наличии.
    Проще всего поставить динамические головки в предусмотренные для этой цели места. Так обычно и поступают начинающие автомеломаны. Однако у конструкторов автомобилей представления о акустическом оформлении могут очень сильно отличаться от общепринятых. Как правило, штатные места в передних дверях рассчитаны на установку малогабаритных головок 7,5...10 см, а направление их излучения можно объяснить только странной прихотью дизайнера. Особенно неудачны в этом отношении отечественные автомобили, в большинстве которых установка фронтальных громкоговорителей вообще не предусмотрена (или противопоказана). Поэтому владельцу отечественного автомобиля волей-неволей приходится проявлять немалую изобретательность при проектировании и изготовлении АС.
    Нужно помнить, что с возрастанием сложности акустического оформления увеличивается и его "чувствительность" к ошибкам и просчетам. Поэтому не надо слепо верить приводимым в паспорте усредненным характеристикам динамической головки (фактические могут отличаться на 50...80 %), а измерить самостоятельно резонансную частоту, добротность и эквивалентный объем конкретного экземпляра. Методики измерения этих параметров неоднократно описывались на страницах журнала "Радио", например в [6], и в литературе.
    В автомобильных АС из многих видов акустического оформления наибольшее распространение получили "акустический экран" (Infinity Buffle) или "открытый корпус" (Free Air). Первый из них применяется, в основном, для среднечастотных и широкополосных головок, на которых построено большинство автомобильных аудиосистем; второй же иногда встречается в конструкциях сабвуферов. Вариантом открытого акустического оформления можно также считать панель акустического сопротивления (ПАС, Aperiodic Membrane), но используется она очень редко. Основная причина этого - отсутствие надежной методики расчета и сложность "штучного" изготовления.
    АЧХ динамической головки в "открытом" оформлении спадает в области нижних частот с крутизной 6 дБ на октаву, что аналогично акустическому ФВЧ первого порядка. Теоретически АЧХ на нижних частотах должна иметь подъем (с учетом передаточной характеристики салона), но реально этого не происходит. Максимум, на что можно рассчитывать в этом случае - небольшой "горб" в области 50...70 Гц. Расчет обычно не производят, уповая на универсальность динамических головок и установку в штатные места. Однако при выборе головок для конкретного варианта открытого оформления стоит учесть их характеристики. Основные достоинства такого оформления - гладкая фазовая характеристика и отсутствие выброса на переходной, что положительно сказывается на "музыкальности" воспроизведения, а также высокий КПД. Недостаток - ослабленное воспроизведение низших частот (подробно об этом далее). Поэтому акустический экран в чистом виде для оформления низкочастотных головок практически не применяется.
    Второе место по распространенности разделили "закрытый корпус" (Closed Box) и фазоинвертор (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex), применяемые как для мидбасового звена, так и в сабвуферах. Кроме того, закрытый корпус небольшого объема применяется и при оформлении среднечастотных и широкополосных головок, установленных совместно с низкочастотными. Изоляция тыльной стороны диффузоров от излучения мощной НЧ-головки устраняет перегрузку их подвижной системы и интермодуляционные искажения.
    Закрытый корпус аналогичен ФВЧ второго порядка. Основные его достоинства - отличное сопряжение с передаточной характеристикой салона автомобиля (представляющего собой ФНЧ второго порядка), что теоретически позволяет получить плоскую АЧХ, и прекрасная импульсная характеристика. Недостаток - низкий КПД, что требует применения чувствительных головок или повышенной мощности усилителя.
    Корпус с фазоинвертором - аналог ФВЧ четвертого порядка, но фактически, в зависимости от исполнения и настройки, может быть близким к третьему порядку. Поэтому даже с учетом передаточной характеристики салона плоская суммарная АЧХ недостижима. Достоинство - высокий КПД. Импульсная характеристика несколько хуже, чем у закрытого корпуса. Основной недостаток - ниже частоты настройки фазоинвертора амплитуда колебаний диффузора ограничивается только жесткостью подвеса, поэтому возможно повреждение головки. Для предотвращения этого в тракте сигнала необходимо применять фильтр, срезающий инфранизкие частоты (subsonic filter).
    Такие экзотические виды акустического оформления, как "пассивный излучатель" (Passive Radiator) и "полосовой" громкоговоритель (Bandpass) со свойствами ФВЧ четвертого - восьмого порядков применяются исключительно в сабвуферах. Достоинство полосового громкоговорителя - высокий КПД, импульсные же характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка.
    Перечисленными видами акустического оформления практически и ограничиваются в автомобильных акустических системах. Акустический рупор и лабиринт ввиду значительных размеров - большая редкость даже в "домашней" акустике, а применить их в автомобиле просто невозможно. Исключение (крайне редкое) составляют только рупорные "пищалки".
    С методикой расчета фазоинверторов и пассивных излучателей можно ознакомиться в [7]. Однако предлагаемые там графические методы расчета трудоемки и не очень точны. Удобнее воспользоваться современными программами расчета, многие из которых позволяют учесть передаточную характеристику салона. Это позволяет оценить действие всех параметров на АЧХ системы. Программное обеспечение для расчета акустического оформления можно найти в сети Интернет (например, [8-11]).
    С распространением ПО для расчета акустического оформления сложность проектирования уже не является сдерживающим фактором, но, поскольку число "степеней свободы" растет, для сложных конструкций низкочастотных громкоговорителей необходимы обязательный контроль параметров динамических головок и настройка готового изделия. Поэтому наибольшее распространение в любительских конструкциях получили корпуса закрытые и с фазоинверторами. По той же причине полосовые излучатели в любительских установках встречаются, как правило, в виде готовых изделий с порядком не выше четвертого. Более сложные конструкции - редкость даже среди промышленных и профессиональных конструкций.
    Несколько большие перспективы в любительских установках у пассивного излучателя, в ряде случаев он может оказаться предпочтительней фазоинвертора. При использовании динамической головки с большим ходом диффузора для устранения шума воздуха в тоннеле фазоинвертора его сечение и длину приходится значительно увеличивать, при этом длина тоннеля может превысить размеры корпуса. В этом случае удобнее перейти к использованию пассивного излучателя. По сути, это разновидность фазоинвертора, в котором масса воздуха в тоннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя.
    В роли пассивного излучателя можно использовать отдельную динамическую головку. Обычно в любительских конструкциях ее используют без магнитной системы, но лучше использовать полноценную головку. Настраивать ПИ в таком случае уже можно не только механически (меняя массу подвижной системы пассивного излучателя), но и электрическим способом - изменяя сопротивление резистора, подключенного параллельно звуковой катушке пассивного излучателя [12]. Этот нетрадиционный метод позволяет изменять характеристики системы в широких пределах. На рис. 7 приведены экспериментально полученные изменения от частоты модуля полного электрического сопротивления динамической головки 25ГДН3-4 в закрытом корпусе объемом 7л с пассивным излучателем 25ГДН4-4. Как видно из рисунка, введением шунта пассивной головки Rш возможно регулировать характеристики громкоговорителя с фазоинвертором.

На рис. 8 представлены результаты моделирования АЧХ такой АС программой JBL SpeakerShop с учетом передаточной функции салона "классик" автомобиля ВАЗ. Участки графиков для частот ниже 30 Гц физического смысла не имеют, так как моделирование передаточной функции не учитывает реальных свойств салона.

Выбор акустического оформления напрямую связан с характеристиками динамической головки, прежде всего - с ее полной добротностью Qts. Низкой считается полная добротность головки меньше 0,3...0,35; высокой - больше 0,5...0,6. Для работы в закрытом корпусе пригодны головки с добротностью не более 0,8...1, для работы с фазоинвертором - менее 0,6. Открытое акустическое оформление рекомендуется для головок с полной добротностью более 1.
    Кроме того, необходимо знать эквивалентный объем для головки Vas и ее собственную резонансную частоту в открытом пространстве Fs. Она определяет нижнюю границу полосы воспроизводимых частот. Поскольку все виды акустического оформления, кроме открытого, повышают частоту резонанса головки, то, зная эквивалентный объем, можно оценить необходимый объем корпуса исходя из допустимой степени ее повышения.
    Пригодность головки для воспроизведения низших частот можно оценить по эмпирическому соотношению Fs/Qts. Если это отношение составляет 50 или меньше, излучатель предназначен для работы в закрытом корпусе, если 90 и больше - в фазоинверторе. С этих же позиций для работы в открытом оформлении надо выбирать головку с высокой полной добротностью (не меньше 0,5) и резонансной частотой 40...50 Гц. Правда, в этом случае приходится учитывать и другие факторы.
    Выбирая акустическое оформление, рекомендуем ориентироваться на результирующую добротность в диапазоне 0,5...1,0. Если она равна 0,5, то достигается наилучшая импульсная характеристика, если 0,707- то АЧХ наиболее гладкая. При добротности, равной 1, на частоте среза появляется подъем около 1,5 дБ, воспринимаемый на слух как "хлесткий" звук. С ростом добротности на АЧХ появляется ярко выраженный резонансный "горб", дающий характерный "гудящий" призвук. Впрочем, в некоторых случаях с учетом характера музыкального материала и передаточной характеристики салона это может оказаться полезным.
    Открытое оформление автомобильной АС создается, как правило, панелями салона. Их характеристики далеки от необходимых, а изменения практически невозможны. Поэтому приходится заранее мириться с ухудшением АЧХ в области низких частот. Площадь идеального акустического экрана, не влияющего на воспроизведение частот выше резонансной частоты головки Fs, составляет:

Поскольку площадь реального акустического экрана значительно меньше идеальной, при таком оформлении динамических головок на нижней частоте воспроизводимого диапазона появится спад АЧХ:

Поясним сказанное на примере. Если взять Fs= 60 Гц, Qts= 0,8 (типичные значения для "лопухов"), площадь идеального экрана составит 6,2 м2! Площадь задней полки даже в "четверке" раз в шесть меньше, поэтому спад АЧХ на частоте 60 Гц составит порядка 8 дБ. Даже с учетом передаточной характеристики салона воспроизведение частот ниже 100 Гц будет заметно ослаблено.

Аналогичный эффект наблюдается и при установке головки в закрытый корпус, только причины его другие. Частота резонанса и полная добротность головки при установке в закрытый корпус объемом V, соизмеримым с эквивалентным Vas, увеличиваются.

    Таким образом, при установке головки в закрытый корпус с объемом, равным эквивалентному, ее резонансная частота и добротность увеличиваются в 1,41 раза, в корпусе объемом 0,5Vas - в 1,73 раза и так далее. Именно это обстоятельство ограничивает применение в автомобиле головок от "домашних" АС, поскольку они в большинстве случаев требуют значительного объема корпуса. Однако можно несколько подкорректировать характеристики корпуса, если заполнить его звукопоглотителем.
    Введение звукопоглотителя в корпус позволяет превратить адиабатический процесс сжатия-расширения воздуха в изотермический, что эквивалентно увеличению его объема на 25...30 %. Соответственно снижается и резонансная частота громкоговорителя, в пределе это снижение достигает 0,85 от исходной величины для незаполненного корпуса. Кроме того, звукопоглотитель позволяет уменьшить отражения сигнала и резонансные явления, что благоприятно сказывается на результирующей АЧХ. Экспериментально установлено, что этот метод наиболее эффективен для корпусов небольшого объема. Концентрация звукопоглотителя должна составлять 20...24 г на литр объема [13]. На практике добавление звукопоглотителя прекращают после того, как резонансная частота головки перестанет снижаться.
    В закрытом корпусе нужно заполнить приблизительно 60 % объема позади головки, при наличии фазоинвертора или пассивного излучателя достаточно нанести звукопоглотитель на заднюю (обязательно) и боковые (желательно) стенки слоем толщиной не менее 20 мм. В резонансных камерах - акустического оформления высоких порядков - звукопоглотитель не обязателен, но в некоторых случаях может быть полезным нанести его на одну из стенок слоем 10...20 мм для снижения добротности.
    Звукопоглощающий материал для заполнения внутреннего объема корпуса должен быть рыхлым и пористым. Применимы вата в виде матов (для закрытого оформления можно в матерчатом или марлевом мешке), дакрон (синтепон). Удобно также применять листовой поролон (пенополиуретан) в виде ковриков и матов толщиной 20...50 мм. Не следует размещать звукопоглотитель вблизи отверстия или трубы фазоинвертора, так как чрезмерное демпфирование может привести к полному прекращению его действия. Маты крепят к внутренним поверхностям корпуса гвоздями, шурупами или на клею.