Продолжение поста «Ящик с динамиками и Акустическая система: в чем различия?»
Акустическая система своими руками. Подбираем динамики правильно
Сноска для инженеров, физиков, педантов, узких специалистов и мастеров спорта по набросу на лопасти: Цель этого цикла статей познакомить широкий круг любителей с азами звуковоспроизведения и рассказать как все работает на практике. Плюс, по-возможности, рассеять немного мистический туман вокруг хорошего звука. Поэтому многие темы будут рассмотрены достаточно в общем, без сложных формул и углубленных расчетов. Впрочем, если возникнут вопросы, с удовольствием отвечу более развернуто отдельным постом :).
Тем не менее просьба не пинать за легкость изложения. Если у кого-то из читателей этой серии постов тема вызовет интерес, уверен, они прочтут и уважаемую Алдошину и еще десяток теоретиков и практиков. Критика и предложения приветствуются.
Первое, чем придется озаботиться при разработке акустической системы высокого класса, — подбор сета динамиков. От их параметров напрямую будут зависеть возможности будущей акустики.
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:
имеет нулевой размер и является точечным источником. Это дает максимальную локализацию звука и натуральность звучания.
излучает звук равномерно во все стороны и не нуждается в акустическом оформлении.
имеет мгновенный отклик на поданный сигнал и воспроизводит его во всей полосе слышимых частот с пропорциональной поданному сигналу амплитудой.
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…
На рисунке АЧХ условного динамика. По ней можно понять, что здесь рабочий диапазон начинается примерно от 70Гц и заканчивается в районе 4 кГц. Понятно, что такой излучатель теоретически можно использовать как мидбас в двухполосной системе.
Таким образом мы приходим к пониманию того, почему качественная акустика строится минимум из двух динамиков.
Желтым цветом обозначена АЧХ высокочастотного динамика. Черная линия — суммарная АЧХ системы.
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.
Красная АЧХ - мидвуфер, Зеленая - ВЧ-динамик, черная - суммарная АЧХ.
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 практике переходную характеристику измеряют подав на динамик прямоугольный электрический импульс. В зависимости от инерции подвесной системы динамика его выходной сигнал в той или иной степени стремится повторить форму входящего.
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.
Пример из спецификации динамика Wavecor: как видите, при осевом измерении “полка” АЧХ простирается до 12 кГц. А вот при отклонении от оси на 45 градусов, этот динамик явно не хочет звучать выше 3.5 кГц. Разница существенная.
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!