Xautor

Но как и по каким критериям выбирать излучатели, на что ориентироваться и от чего точно отказаться сразу?

Надеюсь, не нужно рассказывать принцип работы динамика и его базовую конструкцию. Если она читателю неизвестна, или непонятна, стоит, наверно чуть прокачать скиллы по начальной физике. В других постах я уделю отдельное внимание различным типам излучателей - в том числе экзотическим, а также разным конструкциям классического электромагнитного излучателя. Но сейчас давайте для начала поговорим о неком “сферическом в вакууме” электромагнитном излучателе.

Рассмотрим идеальный динамик и сравним его с тем, что доступно разработчику в реальной жизни. Это поможет увидеть основные проблемы проектирования акустической системы и понять как можно их решить.

Итак, идеальный динамик:

1. имеет нулевой размер и является точечным источником. Это дает максимальную локализацию звука и натуральность звучания.

2. излучает звук равномерно во все стороны и не нуждается в акустическом оформлении.

3. имеет мгновенный отклик на поданный сигнал и воспроизводит его во всей полосе слышимых частот с пропорциональной поданному сигналу амплитудой.

4. НЕ СУЩЕСТВУЕТ

Если бы у нас был идеальный динамик, то проблем конструирования акустики не существовало бы. Ну, увы, вся история разработки акустических систем — история компромиссов.

Почему идеального динамика не существует

Чтобы быть точечным источником динамику пришлось бы иметь околонулевой размер. Но на практике, чем меньше размер излучателя, тем большую мощность требуется подвести к нему для получения одного и того же звукового давления. Таким образом чем меньше размер излучателя, тем тише он будет звучать. Вплоть до того, что подводимая мощность уничтожит конструкцию излучателя до того, как он успеет издать звук. Бах! Вот и первый компромисс.

Увеличивая размер излучателя мы получаем рост КПД и в довесок целую кучу бесплатных проблем. В реальной жизни от размера излучателя зависит не только громкость звука, но и полоса воспроизведения динамика. Если просто: Чем больше излучатель, тем глубже бас, чем легче излучатель, тем шире воспроизводимая полоса ВЧ.

Безусловно, в теории басовик может иметь размер с монетку и воспроизводить НЧ за счет огромной амплитуды смещения диффузора (похожие решения применяют в носимых колонках).  На практике такой бас устроит только очень непритязательного слушателя. Почему? Ну, хотя бы в силу того, что искажения в такой конструкции превысят все немыслимые пределы и в итоге мы получим не тот бас, который играл музыкант на записи, а некое “вольное описание” этого баса в интерпретации нашего “динамика”.

Следующая проблема: при увеличении размера излучателя растет его масса. На практике это значит, что высокочастотную часть диапазона ему отыграть становится не так просто, ведь чем тяжелее диффузор, тем сложнее ему колебаться с частотой 12000-20000 Гц. Снова компромисс!

Таким образом, в реальности даже самый хороший динамик воспроизводит не всю полосу слышимых частот, а лишь ее часть, ограниченную снизу и сверху возможностями конструкции .

Зависимость громкости воспроизведения от частоты называется Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) динамика. АЧХ идеального динамика составляет прямую линию во всем диапазоне частот. Но идеального динамика не существует. Поэтому…

Таким образом мы приходим к пониманию того, почему качественная акустика строится минимум из двух динамиков.

На рисунке выше изображена идеальная ситуация, когда динамики безупречно подошли один к другому и их взаимный спад-подъем АЧХ пересекся на отметке 2.2 кГц. К сожалению, АЧХ реальных динамиков не настолько гладкая и состыковать ее не так просто. Ниже пример АЧХ пары очень даже неплохих динамиков.

Как видите, картина уже не столь идеальная, хотя каждый из этой пары динамиков продается в сегменте “премиум”.

!!!!  Для особо внимательных экспертов сразу отвечу на возникший вопрос: Эта иллюстрация не имеет отношения к реальной АС! Динамики “подключены” в симуляторе без разделительных фильтров. Просто для демонстрации принципа.

Итак, мы разобрались как подобрать динамики в будущую систему по такому параметру, как АЧХ. Это важный момент, но не единственный, определяющий качество звука АС.

Я не тормоз, просто я массивный!

Второй немаловажный аспект — переходные характеристики динамиков. Что это такое? Сейчас разберемся. Представьте себе что вы — это электрический импульс. Ваша задача одновременно сдвинуть с места диффузоры двух динамиков. Вот только один из них очень тяжелый, а второй совсем легкий.

Как вы думаете, что произойдет, если вы двумя руками резко толкнете одновременно эти диффузоры? Очевидно, легкий тут же среагирует на толчок и произведет колебание. Второй, тяжелый, в силу инерции ответит не мгновенно. Музыкальный сигнал создает огромное количество подобных импульсов и, если разница в массах диффузоров слишком велика, то низкочастотный сигнал будет всегда немного запаздывать. (кстати, стоит при оценке добавить к массе диффузора еще и жесткость подвеса).

На нижнем графике видно, что в силу инерции повторить форму импульса у динамика получилось не слишком хорошо (На самом деле это непростая задача для большинства колебательных систем).

У высокочастотного динамика с легким излучателем первый всплеск будет более острым и коротким, у тяжелого НЧ — растянется во времени.

Если пытаться свести вместе динамики с очень разнящимися переходными характеристиками, то в месте стыка получится звуковая каша. Так как в этом месте оба динамика работают в одном диапазоне, они будут воспроизводить один и тот же спектр, но со смещением. О хорошем звуке здесь говорить сложно.

Как правило, для успешной стыковки по переходной характеристике НЧ-динамик должен обладать легким и прочным диффузором, что само по себе может увеличить его цену в разы. Это одна из причин почему многие конструкторы АС предпочитают поместить в воспроизводящий тракт еще один динамик — СЧ, переходная характеристика которого хорошо стыкуется и с верхом и с низом. Практика показывает, что комплект из трех динамиков может оказаться существенно дешевле, чем “двойка” с удачным сочетанием ПХ.

Это еще откуда посмотреть: диаграмма направленности

Еще один подводный камень на пути разработчика - диаграмма направленности динамика. Дело в том, что в зависимости от типа, конструкции и даже конкретной модели АЧХ нескольких динамиков может совпадать при измерении точно по оси излучателя. Но стоит сместиться на 15 …. 45 градусов в сторону, и тут картинка становится не такая радужная.

При сведении динамиков обязательно необходимо учитывать их диаграмму направленности. По сути, то место, где “полка” начинает заваливаться при отклонении и является реальным рабочим диапазоном динамика. Если пренебречь этим фактором и порезать динамик выше, то неприятности со сценой и стереопанорамой обеспечены на 201%. Такая акустика звучать не будет.

Что еще?

Я умышленно оставил напоследок такие очевидные вещи, как максимальная электрическая мощность динамиков, их чувствительность и импеданс. Все эти аспекты безусловно имеют значение, но не настолько критическое, чтобы отказываться от удачно подобранных по ПХ, АЧХ и направленности динамиков. По крайней мере, эти проблемы решаемы при грамотном проектировании фильтров или при использовании таких динамиков в активных АС.

Это очень краткий обзор основных факторов, которые должны лежать в основе выбора динамиков при проектировании акустической системы. На практике их несколько больше, и со временем у каждого инженера появляются свои маленькие, но важные критерии.

Если вам понравился материал, готов продолжить тему. Задавайте вопросы, постараюсь ответить. Спасибо за внимание!

Теперь о том, почему важно, что мониторы ближнего поля работают негромко. Одно из неприятных явлений в любой двухполосной (да и широкополосной тоже) системе — эффект Допплера. Это, когда мидбасовый динамик на большой громкости выходит на "ход" - начинает активно перемещать диффузор в пределах X-max. Что в это время происходит с СЧ-диапазоном? Та часть диффузора, которая отвечает за верхнюю средину, становится по сути подвижным излучателем. Эффект Допплера ярко слышен, например в таких музыкальных произведениях, как оркестровая версия Also sprach Zaratustra Штраусса. Там во вступлении скрипки и духовые держат "педаль" на фоне ударов низкочастотных литавр. Так вот, вместо мягкого протяжного акккорда звучит блеяние оркестра из-за НЧ-модулирования. Причем, чем меньше диаметр мидбаса, тем ярче выражен эффект, так как для воспроизведения НЧ-составляющей маленькому диффузору приходится колебаться с бОльшей амплитудой. Отсюда вывод: если двухполоска, то с максимально большим диаметром мидбаса.

Вроде решили проблему? (Спойлер — нет! ) Чем больше диаметр диффузора, тем он массивнее. А значит хуже воспроизводит верхнюю составляющую сигнала. Для снижения веса при сохранении прочности используют разные технологии — от специальной формы поверхности диффузора до изготовления его из кевлара или других современных материалов. Но это все недешево. Поэтому приемлемый по цене мидбас с большим диаметром, который ровно отыгрывает СЧ-диапазон - большая редкость. Таким образом от ВЧ-динамика требуется уметь без искажений воспроизводить начиная с более низкого диапазона. То есть иметь резонансную частоту практически сравнимую с СЧ-динамиком. Такие динамики существуют, но также обладают немалой ценой и найти их тоже непросто.

Как видите, подбор динамиков сам по себе — компромисс. Или дорого, или миримся с искажениями. Отсюда напрашивается простое решение: добавить среднечастотное звено и тем самым убить двух зайцев: избавиться от эффекта Допплера и позволить ВЧ-динамику работать существенно выше его резонансной частоты (где сконцентрирован максимум искажений).

И вот тут возникает новая проблема: если сведение двухполосной системы по фазе сложная, но вполне решаемая задача, то создать фазокогерентную "трешку" для большинства разработчиков уже непосильно. Почему? Да просто так повелось! На самом деле сведение по фазе любого числа полос задача вполне тривиальная при наличии доступного оборудования и правильных методик. Но это тема отдельного поста. Если интересно, конечно.

Подводя итог: для разработки высококачественной DIY- акустики лучше (и проще!) изначально ориентироваться на трехполосную систему. Эта схема дает выигрыш в деньгах (на порядки) при выборе компонентов. Что касается методики сведения, то от числа полос сложность зависит мало, а затраты времени пропорциональны числу полос. То есть, условно, два динамика сводим за час, три за полтора етс.

Если вы дочитали до этого места, спасибо за терпение. В следующем посте отвечу на вопросы. Планирую также серию постов, посвященных отдельным аспектам проектирования высококачественной акустики.

Ну, а далее — чем черт не шутит — можно попробовать взять и прямо онлайн разработать Пикабу-акустику с пояснениями, примерами и открытой документацией. Чтобы каждый мог недорого и без хлопот повторить такое дома. Как вам такое?

Нескучные лекции о физике звука для самых маленьких и гуманитариев

О том, что звук — волна слышали почти все. Давайте, впрочем, сразу уточним: не любая волна, а только такая, у которой частота колебаний находится в диапазоне возможностей человеческого слуха. Это, примерно, от 20 до 22 000 колебаний в секунду (1 колебание/сек. = 1Герц). Все, что колеблется реже или чаще большинство людей органами слуха не воспринимают.

Что такое частота колебаний? Все просто: у волны есть начало периода (низшая точка), центр - высшая, и окончание — то место, где уровень снова становится равным нулю. Чем больше таких периодов укладывается в единицу времени, тем выше частота.

Как правило, звук доходит до человека не напрямую: источник звука, например струна, воздействует на воздух. Молекулы воздуха начинают колебаться с той же частотой, что источник звука. Сначала в движение приходят те молекулы, которые находятся ближе к источнику, а затем "пинают соседа" — передают колебания соседним молекулам.

Постепенно колебания распространяются во все стороны и, в конце концов, достигают уха человека. Мембрана в ухе под воздействием молекул воздуха также приходит в движение.

Дальше все просто - нервные окончания регистрируют колебания мембраны и передают их в мозг. Там происходит анализ звука (процесс крайне сложный и выходящий за рамки этого текста. …Может позже напишу заметку о том, как устроено все вот это у нас в голове).

К сведению:

Если лично вы слышите не все частоты звукового диапазона, не огорчайтесь, большинство людей слышат так же: зона уверенного восприятия простирается от примерно 35 до 14000…16000 Герц. И это совершенно не говорит об отсутствии у вас музыкального слуха.

Ясное дело, что достигнув ушей человека и возбудив нервные рецепторы, молекулы воздуха не успокаиваются. Они продолжают пинать соседей во все стороны и распространяют колебания все дальше от источника звука.

Это безобразие длится, к счастью, не бесконечно. Молекулы тоже "устают" — пнув соседей определенное количество раз они постепенно снижают размах своих колебаний и постепенно совсем успокаиваются.

Важно:

— скорость затухания звуковых колебаний напрямую зависит от расстояния до источника звука — чем дальше, тем слабее колебания.

— Если на пути звуковой волны возникает препятствие, то скорость затухания меняется. Причем эти изменения зависят от характера препятствия.

— При затухании звуковых колебаний снижается их амплитуда (размах), а вот частота остается неизменной. То есть если из струны извлекли ноту "До", то именно "До" и будет звучать до последнего.

Как вы поняли, звук проходит путь от источника до уха человека не мгновенно. Безусловно быстрее, чем вы прочли предыдущий абзац, но, все же, сплоченному коллективу молекул воздуха требуется некоторое время, чтобы "пропинать" всю толпу.

В среднем за одну секунду звук в воздухе проходит 343 метра. Скорость звука может меняться (незначительно) в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Кроме того, если часть своего пути звуковая волна распространяется не по воздуху, а в твердом теле (например металле) ее скорость будет выше — теперь понятнее почему соседи стучат именно по батарее отопления, когда хотят, чтобы вы сделали звук потише!