Автозвук: Вспомнить всё 5

ВОСПОЛЬЗУЕМСЯ

ВСПОМНИТЬ ВСЁ-5

Андрей ЕЛЮТИН

Мы ещё в прошлый раз собирались воспользоваться цифрами, сопровождающими динамики, но остановились на время, чтобы понять, откуда они взялись. А теперь, поскольку поняли, можно и пользоваться.

ЗАДАДИМ СЕБЕ ВОПРОС. ПОЧЕМУ ЭТО МЫ, БОРЦЫ за автомобильный звук, так озабочены параметрами динамиков, а те, кому ближе звук домашний, об этом говорят очень мало. Или совсем не говорят. В том ли дело, что в автозвуке пустил гораздо более прочные корни естественно-научный подход к электроакустике, а в домашнем хай-фае-хай-энде — скорее чувственный? Отчасти да, но это не главное. Главнее то, что в домашнем звуке этого всего можно не знать. Есть такая возможность. Причин для этого как минимум две.

ПРИЧИНА ПЕРВАЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

Суть её в том, что домашняя акустика приходит к владельцу в завершённом виде. Параметры заложенных в неё компонентов в большинстве случаев нельзя не то что изменить, а даже узнать без полной разборки готового, красивого и дорогого изделия. А кто и, главное, зачем это будет делать? Исключения бывают, но раз на тысячу или реже. Оттого так популярны в домашнем звуке игры с проводами: больше-то ничего изменить нельзя. И ценовой гипноз: стоит акустика тыщу — значит, должна сыграть на тыщу, а эта, за пять сотен, как она на тыщу может сыграть? У нас всё по-другому.

То, что для нас готовое изделие, в домашнем звуке означало бы радиодеталь. Да и для нас, строго говоря, динамик не готовое изделие, конечный продукт — это система в машине, но готовыми системами не торгуют (заводские не в счёт, сами знаете почему).

Если бы торговали готовыми аудиосистемами, мы бы тоже могли позволить себе роскошь ничего не знать о параметрах динамиков, туда установленных. Садись и слушай, кому положено, всё уже учёл. Но нам в обмен на деньги выдают динамик, который сам по себе никак не звучит, даже если его к чему-нибудь подключить. Как понять, чего от него ожидать, подходит ли он, а если подходит — то для чего, в смысле, что для него надо сделать, чтобы он раскрыл свои возможности?

Пока, напомним, мы говорим только о работе динамиков на низких частотах. В своё время будем заходить и выше по частоте, но значительная часть технических решений, которые приходится принимать при выборе динамических головок, связана именно с их работой в басовом регистре. И почти вся теория, на основе которой, не прибегая к эксперименту, можно спрогнозировать поведение акустики, тоже выведена для низких частот. А мы именно к этому стремимся — понять, как будет работать динамик до того, как стали его хозяином.

На низких частотах в машине, в общем случае, работают два типа акустики. Фронтальные мидбасы (или басовики трёхполосной системы, здесь не важно) и сабвуфер. Подход к прогнозу и расчёту для этих типов акустики принципиально разный. Большинство сабвуферных головок предназначены для установки в то или иное сознательно построенное акустическое оформление. Его характеристики выбираются так, чтобы вместе с «врождёнными» параметрами динамика дать требуемые итоговые значения резонансной частоты и добротности, которые и определят форму АЧХ в машине, многие другие характеристики и в итоге — характер звучания. Исключение составляют сабвуферы, предназначенные для работы в акустическом экране (более популярным стало название free air). Для них объём ящика, куда они установлены, — это объём багажника, который всегда настолько велик, что никак не сказывается на итоговых значениях параметров динамика в оформлении. Динамик перестаёт «чувствовать» действие объёма ящика, в который он установлен, когда этот объём в 5 раз больше эквивалентного объёма динамика Vas. «Перестаёт чувствовать» означает, что резонансная частота и полная добротность изменяются не более чем на 10%. Типичные значения Vas для 12-дюймовых, например, головок, крайне редко превышают 80 л, следовательно, типовой багажник для них — это уже безграничный простор. Это если считать багажник действительно закрытым ящиком, которым он, в сущности, не является, но об этом чуть позже, в другом контексте. Поэтому для сабвуферных головок параметры Тиля — Смолла — это совсем уже «информационное сырьё», до поры до времени никак не означающее характеристики готового изделия.

Совсем иная ситуация с мидбасовыми компонентами фронтальной акустики, отрабатывающими значительную часть басового материала. Типовая схема установки фронтальных мидбасов — в дверь. Формально дверь — тот же закрытый ящик объёмом 30 — 50 л (крайние случаи). Типичные значения Vas компонентных мидбасов (или коаксиалов такого же калибра) таковы: 90% 5-дюймовых головок попадают с этим параметром в коридор 6 — 10 л, для 6-дюймовых это 8 — 15 л. То есть получается, в принципе, что объём двери где-то на границе просторного закрытого ящика и бесконечного экрана. Это — говоря формально. На самом деле дверь — это никакой не ящик. Судите сами: если бы нечто, отштампованное из листа толщиной 0,6 мм, без каких-либо существенных элементов жёсткости обшивки, с многочисленными прорехами (для дверных ручек, ограничителя хода, опускного стекла, слива воды и пр. и пр.) можно было бы считать серьёзным корпусом акустической системы, чего ради во всём мире уже которое десятилетие корпуса для домашней акустики строят из толстых досок, с многочисленными рёбрами и распорками, причём тем более толстых и с тем более многочисленными, чем лучше акустика? Подойдите к машине (лучше — своей) и нажмите пальцем на центр двери. Миллиметр прогиба особого усилия не потребует. Проделайте то же самое с самой затрапезной домашней колонкой. Здесь можно воспользоваться и чужой, ущерб исключён, если ваша фамилия не Кличко.

Что такое миллиметр? Примерно амплитуда колебаний диффузора мидбаса на всех частотах, кроме предельно для него низких. А площадь его куда меньше, чем площадь дверной панели, поэтому вибрация металлического листа двери в значительной мере компенсирует пульсации давления во внутреннем объёме, то, на чём основано действие закрытого ящика как акустического оформления. Так что сам по себе объём без учёта жёсткости — фикция. Если не убедил, доведём ситуацию до абсурда: поставим на место корпуса акустической системы полиэтиленовый мешок, пусть и требуемого объёма. Это он для мусора 60 л, а для акустики — сам мусор. Поэтому, говоря об условиях работы дверных мидбасов, следует отдавать себе отчёт в том, что они работают не в закрытом объёме в акустическом смысле. Такое оформление ближе всего соответствует акустическом экрану, и тем ближе, чем тщательнее устранены условия для акустического короткого замыкания между лицевой стороной диффузора и тыльной, находящейся в двери.

Есть ли исключения из этого принципа? Разумеется. Назовите мне такой, из которого нет, я запомню. Одно исключение (или почти) — суперустановки, какие делают для побед на соревнованиях, и то, как правило, не ради наслаждения партикулярной персоны, а во славу крупной установочной студии или пафосной торговой марки. Второе — время от времени (последнее время — всё чаще) появляющиеся установки, в которых мидбасы помещают в действительно закрытый и жёсткий объём, когда выгораживая его в дверях, когда — в кикпанелях, когда (новейшее веяние) — в виде напольной конструкции, одна такая есть в этом номере. Но здесь и подходы иные, и динамики требуются особые, их не так и много. Подавляющее же большинство моделей мидбасовых головок изначально рассчитывались на дверную установку со всеми её реалиями, как бы мы временами ни язвили по поводу просчётов конструкторов, они чаще всего своё дело знают.

Так что общее правило будет такое: для сабвуфера параметры головки мы используем для расчёта, по которому делаем оформление, считающееся оптимальным. Кроме фри-эйрных установок, в которых параметры Тиля — Смолла головки станут и итоговыми параметрами головки в оформлении. Но таких меньшинство. А для мидбасов, обречённых на работу во фри-эйрных условиях, в акустическом экране, параметры головки и будут финальными, здесь расчёт не «проектировочный», а «поверочный», как принято говорить (исключение — «ящичные» установки мидбасов). А на основе поверочного расчёта, да иногда и просто прикидки, можно попытаться понять, чего мы вправе ожидать от того или иного мидбасового динамика, зная о нём только параметры Тиля — Смолла. На низких частотах — это почти всё, что надо знать. Но здесь, неподалёку — вторая причина столь разных подходов в акустике дома и в машине.

ПРИЧИНА ВТОРАЯ, АКУСТИЧЕСКАЯ

Да, вы правильно сейчас подумали: акустика салона. У нас была в своё время была статья про передаточную функцию салона, на мой взгляд, это одна из лучших публикаций в этом журнале за всё время его существования. Если есть возможность — загляните, это было в «АЗ» №8/2000, с. 68 и дальше. Коротко суть в следующем: в салоне машины ниже 100 Гц создаваемое любой акустической системой звуковое давление будет расти со снижением частоты со скоростью 12 дБ/окт. С какой именно частоты начиная? Это вопрос интересный. В Интернет-конференциях нередко находятся буквоеды, требующие, чтобы им разыскали передаточную функцию ровно для их автомобиля, чуть ли не с учётом года выпуска и климат-контроля. Наши же выводы (отчасти совпавшие с выводами американских коллег) были такие: АЧХ салона в полосе частот 80 — 100 Гц предугадать невозможно, она очень индивидуальна, а ниже 80 поведение машин даже с разными размерами салона, напротив, весьма сходно. И мы предложили некоторую обобщённую передаточную функцию, достаточную для предварительных расчётов. Да и не только для предварительных. Сопоставив накопившиеся за несколько лет результаты моделирвоания АЧХ сабвуферов с копящимися уже несколько месяцев данными, полученными в реальных установках с помощью RTA-анализатора, мы обнаружили очень неплохое совпадение, так что к предложенной скоро как пять лет назад функции нам сейчас добавить нечего.

Как влияет передаточная функция на критерии выбора параметров акустики? Как нетрудно догадаться — драматически, именно процессы и результаты дома и в машине при прочих равных оказываются разными, разными будут и подходы к вопросу.

Возьмём акустическую систему (динамик в оформлении типа «закрытый ящик»). Будем пока придерживаться этого типа оформления как наиболее универсального, включающего и случай акустического экрана, для нас весьма важный. Форма АЧХ такой акустической системы на низких частотах будет исчерпывающим образом определяться двумя параметрами: резонансная частота в оформлении Fc и полная добротность (тоже в оформлении) Qtc. Смена «s» на «с» как раз и означает, что от «голого» динамика мы перешли к «одетому».

Предположим, что мы сидим дома, предположим, что у нас есть доступ к неограниченным запасам акустических систем с разными сочетаниями Fc и Qtc. Понимаю, что нереально, но помечтать-то можно... Вот картинка, которая обошла, и не по одному разу, все книги и статьи по акустике: АЧХ акустических систем с одним и тем же значением резонансной частоты и разной добротностью. В нашем примере мы использовали ряд значений 0,5 — 0,7 — 1,0 — 1,2. В реальной жизни за эти пределы обычно не выходят. При одной и той же резонансной частоте чем выше добротность акустики, тем позже начнётся спад на FX{. А при больших значениях Qtc ему будет предшествовать выброс «в плюс». Чем руководствуются конструкторы домашней акустики при выборе Qtc (мы ведь пока дома)? Как всегда — компромиссом. Высокая добротность повышает отдачу на нижней границе рабочего диапазона, но порождает неравномерность частотной характеристики, из тех, что хорошо слышны в форме «бубнения». Оптимальной с точки зрения формы АЧХ считается Qtc = 0,707, то самое «баттервортовское» значение, которое мы так часто поминаем в тестах. Зачем нужны (на практике) более низкие значения добротности? На первый взгляд — ни за чем, АЧХ получается вялой, с ранним спадом. Однако, как ни парадоксально это прозвучит, вялая АЧХ — залог корректной передачи импульсных сигналов. Парадокс здесь только кажущийся: вспомните (всё!) — чем выше добротность, тем ближе динамик к колоколу, так? А значит, когда на него придёт короткий импульс музыкального сигнала, барабан или щипок струны, в музыке таких сигналов очень много, такой динамик и прореагирует отчасти как колокол: зазвенит на своей резонансной частоте, а об этом никто не просил. От динамика что требовалось: воспроизвёл импульс — и стой как вкопанный в ожидании следующего, а не гуди на любимой ноте.

Как можно «и невинность соблюсти, и капитал приобрести»? Ну как: снизить резонансную частоту. Картинка получается точно такая же, но сдвинутая по частоте вниз пропорционально Fc. Чего реально можно ожидать от перебора нашего неограниченного запаса акустики (вот жизнь!), понятно по серии графиков, где при одной и той же добротности берутся колонки с разными Fc (из ряда 40 — 60 — 80 — 100 Гц). Видите, при Qtc = 0,5 даже с низкой резонансной частотой АЧХ выходит на уровень -3 дБ на 70 Гц, а если резонансная частота высокая — начинает валиться уже на 180 Гц. И напротив, при высокой добротности (Qtc = 1,2) акустика с низким резонансом прилично басит уже на 35 Гц, и даже при высокой Fc нижняя граничная частота не опускается ниже 85 Гц. Ценой, правда, горба на АЧХ (его видно) и ухудшения импульсных характеристик (этого не видно, но поверьте на слово). В общем, набор опций для выбора очевиден. Теперь вспомним, что мы не домоседы, и взглянем, как то же самое выглядит в машине. Не забыв при этом, что если динамики стоят в дверях, то можно считать Fc = Fs и Qtc = Qts, то есть необходимо и достаточно знать параметры «голого» динамика. Почему, собственно, мы и стремимся их знать.

В машине работает, хотим мы того или нет, передаточная функция салона. Мы, вообще-то, хотим, она нам сильно помогает с басами. И вот: с учётом этой функции первые два графика перестают быть близнецами, как их домашние аналоги. Перестают быть близнецами и содержащиеся на графиках отдельные кривые. Поизучайте, любопытные картинки. Однако для принятия решений нужны немного другие. На основании следующей серии графиков можно решить, какие мидбасы подходят для установок с сабвуфером, а какие могут, в принципе, справиться и сами (в пределах возможного), какие требуют высокой частоты раздела полос мидбас — сабвуфер, какие согласны на низкую и так далее.

ВЫБОР

Теперь снова пойдём по пути выбора головок с разными значениями резонансной частоты при одной и той же добротности. Ряд частот мы взяли тот же. Вот первый случай: головка с низкой добротностью. Какая бы у неё ни была резонансная частота (в пределах реально ожидаемого), у нас всегда будет слегка проваленный самый верхний бас (100 — 120 Гц), причём тем больше, чем выше резонансная частота головки (или её же — в двери). Зато с низкодобротной и низкорезонансной головкой появляется перспектива создания широкополосной бессабвуферной системы, правда пока — довольно призрачная. Более реальной она становится при более высоком значении добротности, как раз баттервортовской. Здесь при значении Fc между 40 и 60 Гц АЧХ становится или совсем ровной, или с подъёмом именно там где надо (при низкой добротности было ниже, чем надо). И главное — при таком сочетании параметров, если в системе сабвуфер всё же предусмотрен, настраивать ФВЧ фронтальной акустики можно практически без ограничений: в полосе 50 — 100 Гц фронт работает идеально.

Если полная добротность повышенная, равная единице, картина существенно меняется. Теперь Fc = 60 Гц — это залог заметного горба в системе, лишённой сабвуфера, динамик с низким резонансом даёт совсем грамотную АЧХ в области низкого баса, а если в системе есть сабвуфер, то выгоднее взять динамик с резонансом повыше, 80 — 100 Гц, и спокойно делить частотные полосы на 80 — 100 Гц., как обычно и делают.

А при совсем высокой добротности, равной 1,2? Здесь получается интересно: у динамиков с совсем низким резонансом АЧХ выходит, в принципе, интересная, правда такое сочетание параметров — большая редкость, почему — вы должны были бы знать из «В.В.-4». Зато именно высокое значение Fc даёт возможность безбедно отфильтровать фронт на наиболее часто используемых частотах: 70 — 80 Гц, даже с гарантией, что в полосе частот сабвуфера фронты будут культурно отдыхать, не внося сумятицы одновременной работы двух излучателей в одной полосе.

Подмывает на основе только что проведенного разбора дать какую-нибудь короткую и вескую рекомендацию, типа: если так, то брать вот это, а если эдак — то вот то. Но вы сами видите: взаимодействие внутрисалонного пространства с характеристиками акустики однообразием не отличается, здесь есть масса вариантов, требующих более вдумчивого анализа, нежели следование простой рекомендации.

И если всё делать правильно, полдела будет сделано. Почему только «пол»? Потому, что без сабвуфера, как оказывается, в большинстве случаев всё равно нельзя. Для выяснения, почему нельзя, для следующего выпуска мы тут подготовили интересную штуку: попытались вывести из экспериментальных данных идеальную АЧХ в салоне машины. И, что любопытно, вывели. Она отвечает на многие вопросы, остаётся только их задать, что мы и сделаем в следующий раз.

Журнал "Автозвук"