Гармонические искажения — один из видов нелинейных искажений звука, которые возникают, когда сигнал, проходящий через устройство, искажается таким образом, что в его спектре появляются новые частотные составляющие, кратные частоте исходного сигнала. Эти новые составляющие называются гармониками, а их отношение к основной частоте называется порядком гармоники.

Например, если исходный сигнал имеет частоту 100 Гц, то его вторая гармоника будет иметь частоту 200 Гц, третья — 300 Гц и так далее. Гармонические искажения измеряются в процентах от среднеквадратичного значения сигнала и обозначаются как КГИ (коэффициент гармонических искажений) или THD (total harmonic distortion).

Гармонические искажения могут возникать на разных этапах звуковоспроизведения, в том числе в динамических излучателях звука, то есть в громкоговорителях и наушниках. Динамический излучатель звука состоит из двух основных частей: электрической (катушка, подключенная к усилителю) и механической (диффузор, преобразующий электрические колебания в звуковые волны). Гармонические искажения в динамическом излучателе звука могут иметь различные причины, такие как:

• Нелинейность характеристик катушки, которая зависит от ее сопротивления, индуктивности, температуры и положения в магнитном поле. Нелинейность катушки приводит к тому, что амплитуда и фаза выходного сигнала не пропорциональны амплитуде и фазе входного сигнала, а также к тому, что катушка генерирует свои собственные гармоники, которые накладываются на исходный сигнал.

• Нелинейность характеристик диффузора, которая зависит от его массы, жесткости, демпфирования и геометрии. Нелинейность диффузора приводит к тому, что его перемещение не пропорционально силе, действующей на него от катушки, а также к тому, что диффузор генерирует свои собственные гармоники, которые накладываются на исходный сигнал.

• Взаимодействие диффузора с окружающим воздухом, которое зависит от его формы, размера, скорости и направления движения. Взаимодействие диффузора с воздухом приводит к тому, что на него действуют аэродинамические силы, которые искажают его движение и создают дополнительные звуковые волны, которые накладываются на исходный сигнал.

Гармонические искажения разных порядков влияют на звук по-разному. В целом, чем выше порядок гармоники, тем больше она искажает звук, так как она сильнее отличается от основной частоты и создает больше диссонанса.

Однако восприятие гармонических искажений зависит не только от их порядка, но и от их уровня, спектрального состава, типа сигнала и индивидуальных особенностей слуха. Некоторые общие закономерности влияния гармонических искажений на звук можно сформулировать так:

• Нечетные гармоники (третья, пятая, седьмая и т.д.) в большей степени искажают звук, чем четные (вторая, четвертая, шестая и т.д.), так как они более далеки от основной частоты и создают больше диссонанса. Нечетные гармоники придают звуку более резкий, жесткий и грубый характер, а также могут вызывать утомление и раздражение слуха.

• Четные гармоники в меньшей степени искажают звук, чем нечетные, так как они ближе к основной частоте и создают меньше диссонанса. Четные гармоники придают звуку более мягкий, теплый и округлый характер, а также могут усиливать эмоциональность и выразительность звука.

• Низкие гармоники (вторая, третья, четвертая и т.д.) в большей степени влияют на тембр звука, чем высокие (десятая, двадцатая, тридцатая и т.д.), так как они более заметны для слуха и определяют основные характеристики звука, такие как высота, громкость и звучание. Низкие гармоники могут изменять тембр звука в сторону более низкого или высокого, более тихого или громкого, более тонкого или толстого.

• Высокие гармоники (десятая, двадцатая, тридцатая и т.д.) в меньшей степени влияют на тембр звука, чем низкие, так как они менее заметны для слуха и определяют второстепенные характеристики звука, такие как шероховатость, блеск и насыщенность. Высокие гармоники могут добавлять звуку дополнительные детали, нюансы и оттенки, а также могут создавать эффект присутствия и пространственности.

Как бороться с гармоническими искажениями?

Уменьшить гармонические искажения динамика на этапе проектирования и производства можно разными способами, в зависимости от их причин и уровня. Вот некоторые из этих способов:

• Использовать качественные и подходящие по параметрам компоненты для изготовления динамиков, такие как катушки, магниты, диффузоры, подвесы и т.д. Это позволит уменьшить нелинейность характеристик катушки и диффузора, а также улучшить согласование между ними.

• Использовать специальные технологии и конструкции для динамиков, такие как линейный мотор, симметричный магнитопровод, балансный подвес, плоский диффузор и т.д. Это позволит уменьшить искажения, связанные с неоднородностью магнитного поля, асимметрией движения диффузора, нелинейностью подвеса и т.д.

На этапе проектирования АС снизить КНИ можно попытаться при помощи следующих приемов:

• Использовать многополосную систему звуковоспроизведения, в которой каждый динамик отвечает за свой диапазон частот, а также грамотно рассчитать кроссоверы для разделения сигнала на полосы. Это позволит уменьшить искажения, связанные с перегрузкой динамиков, перекрытием полос, интерференцией волн и т.д.

• Задействовать коррекцию сигнала с помощью специальных устройств или программ, таких как эквалайзеры, фильтры, компрессоры, лимитеры и т.д. Это позволит уменьшить искажения, связанные с нелинейностью частотной и фазовой характеристики динамиков, а также с перегрузкой усилителя или источника сигнала.

Как всегда, спасибо за внимание! Если возникли вопросы, оставляйте их в комментариях. Если вопрос покажется мне достойным развернутого ответа, он станет темой очередного поста.

Ну и ставьте плюс, если хотите видеть продолжение!

Вот такие сейчас стоят 13-ые Уралы, их характеристика ниже:

Максимальная мощность 13-ых 120W

Вот так хочеца:)

Бюджет 3к, спасибо!

Звук — это колебания давления в воздухе. Такие колебания распространяются в виде волн. Динамик, в силу своей конструкции, создаёт сразу две волны: одну с фронтальной стороны, другую с тыльной. Эти волны по отношению друг к другу противофазны, и если их сложить, то они взаимно уничтожатся. Почему же динамик без корпуса не беззвучен полностью? Верха он воспроизводит как обычно, а низа нет от слова совсем.
Всё дело в том, как связана длина волны и её способность преодолевать препятствия. Явление дифракции приводит к тому, что волна может свободно огибать препятствия, если её длина больше или приблизительно равна ширине препятствия. Получается, что если длина волны больше диаметра динамика, то она свободно будет распространяться во все стороны от него. В отличие от теории с «перетеканием воздуха», эта теория чётко связывает два параметра: диаметр динамика и нижнюю частоту, которую он может воспроизвести «голышом» без потерь громкости.
Формула такая:

Здесь D — это диаметр динамика в метрах, a — скорость звука, 340 м/с. Для моих динамиков D = 105 мм = 0,105 м, а частота получится 3240 Гц.
Чтобы расширить диапазон звучания динамика, можно установить его в какую-нибудь стенку. Тогда в формуле можно будет заменить диаметр динамика размером стенки. Так мы приходим к самому примитивному акустическому оформлению: акустический экран, или щит.

Проще некуда. Если бы не одно «но». Если мы хотим получить от щита воспроизведение хотя бы 100 Гц, его размер должен быть не меньше 3,4 метра. Параметры полочных колонок при размерах автомобиля — так себе, да?
Может, вообще избавиться от тыловых волн? Вот и он, закрытый ящик, который полностью изолирует тыловую волну. С задачей справляется, но есть нюанс: часть энергии звуковых волн просто теряется в ящике. А ведь можно было бы её использовать. Для этого надо как-то инвертировать фазу волны и выпустить её из ящика.

На сцену выходят фазоинвертор и пассивный излучатель. Несмотря на совершенно разную конструкцию, делают они ровно одно и то же. Разве что фазоинвертор пропускает пиво внутрь блютуз-колонки, а пассивный излучатель нет.

Объяснить принцип работы проще всего на пассивном излучателе. Он представляет собой массивный диффузор на мягком подвесе. Собственно, всё. Это лишь кусок динамика.
Диффузор и подвес образуют колебательную систему. Диффузор можно представить как массу, присоединённую к пружине — подвесу. То есть, если толкнуть диффузор, он будет совершать колебания на определённой частоте, резонансной. А что интереснее всего, если толкать его с резонансной частотой, то спустя несколько периодов он начнёт двигаться против прикладываемой силы! А раз толкает его тыловая волна, то и излучать он будет в противофазе к ней.
Но можно избавиться от подвижных частей. Дело в том, что в колонке по умолчанию есть и подвижная масса, и пружинка, которая её держит. Воздух, он самый. Он обладает и заметной массой (в колонках S90 его примерно по 50 граммов), и упругостью. Надо лишь правильно использовать его свойства. Что получится, если вставить в закрытый ящик трубу?
Объём воздуха можно будет условно разделить на две части. Воздух внутри трубы будет двигаться относительно быстро, из-за чего для его разгона и торможения нужно приложить значительное давление. Этот объём мы считаем «массой», и он соответствует диффузору пассивного излучателя. Весь же остальной воздух движется относительно медленно и легко сжимается благодаря большому объёму. Он и является упругой пружинкой, аналогом подвеса пассивного излучателя.
Таким образом, на частоте настройки воздух в порте фазоинвертора движется синхронно с диффузором динамика точно так же, как в случае с пассивным излучателем. В обоих случаях частоту настройки выбирают немного ниже собственного резонанса системы «динамик-ящик» без фазоинвертора. Ниже этой частоты динамик играет тихо (почему так происходит поясню во второй части), зато в игру вступает фазоинвертор или излучатель и немного расширяет рабочий диапазон.

Производители дешёвой акустики часто настраивают фазоинвертор как можно ниже, чтобы извлечь как можно больше баса. В результате фазоинвертор живёт своей жизнью, что проявляется в виде эффекта «одной ноты». При воспроизведении звуков, близких к частоте настройки фазоинвертора, он предпочитает играть собственную частоту. А между этой частотой и самой низкой частотой, которую играет динамик, наблюдается провал в амплитудно-частотной характеристике. В худшем случае музыка на такой системе звучит как едва слышные выкрики динамика под непрерывное гудение фазоинвертора.

Так, секундочку... Воздух играет роль пружины, так? А что с пассивным излучателем, там же тоже закрытый объём? Действительно, воздух и для него играет роль пружины. Это усложняет подбор пассивного излучателя.
То же самое справедливо и для самого динамика. Помещение динамика в закрытый корпус приводит к тому, что упругость воздуха в корпусе складывается с упругостью подвеса диффузора, и резонансная частота системы «динамик — ящик» всегда выше, чем собственный резонанс динамика. Соответственно, нижняя воспроизводимая частота становится выше, чем могла бы быть. Этот эффект тем слабее, чем больше объём ящика.

Значит, ли это, что можно добиться большего количества низких частот, увеличив размеры корпуса? И да, и нет. Тут можно сделать отступление. Давным-давно, когда усилители были большими и ламповыми, динамики строились немного иначе. Конструкция в целом та же, что и сейчас, но подвес был значительно жёстче. И он не был идеальной пружиной. При равномерном перемещении диффузора сила, создаваемая подвесом, возрастала неравномерно. Из-за этого звук динамика имел огромное количество искажений, особенно на большой громкости. В 1954 году американский изобретатель Эдгар Вильчур обратил внимание на эффект «воздушного подвеса». Он сообразил, что подвес будет вносить меньше искажений, если сделать его хиленьким, а значительную часть его работы переложить на воздух внутри ящика, который до этого лишь мешал. Быстренько заменив подвес обычного динамика случайной тряпкой (кажется, это была обивка матраса), он получил первый прототип современного динамика. Он больше не мог работать без корпуса, зато обладал революционно низким уровнем искажений! Очень приятным побочным эффектом стало многократное уменьшение размеров ящика.

И теперь мы имеем динамики, которые сами по себе не являются законченным устройством. Теперь их даже нельзя включать на полную мощность без корпуса — могут повредить сами себя. И объём ящика, как правило, выбирается вполне конкретный для каждого динамика. Если сделать ящик меньше рекомендуемого, то потеряем в басах. А если превысить рекомендуемый объём, то динамик будет двигаться со слишком большой амплитудой, превышающей расчётную, что для него опасно.

Есть другой способ использовать тыловую волну динамика. Что если пустить эту волну по трубе такой длины, что за время прохождения её фаза запоздает на 180°? Эта идея лежит в основе оформления под названием «трансмиссионная линия». Так его называют за рубежом, а в России это четвертьволновой резонатор (ЧВ). И русское название точнее отражает принцип работы такого оформления.
Дело в том, что волны обладают способностью отражаться не только от твёрдых объектов. Звуковая волна, выходящая из открытого конца трубы, частично отразится от него и вернётся обратно. Потом отразится от закрытого конца, снова от открытого, ещё и ещё... Из-за этого труба обладает рядом резонансов. Первый из них возникает на частоте, при которой длина трубы составляет четверть длины волны. Отсюда и взялось название. Следующие резонансы возникают на трёхкратной частоте, пятикратной, семикратной и т.д. За счёт этого явления работает куча музыкальных инструментов. Флейты, саксофоны, органы, и вот это, например.

Итак, труба имеет несколько собственных резонансов. Что с ними делать? Самый низкий резонанс нужно холить и лелеять, за счёт него и работает ЧВ. Он даже называется частотой настройки. Следующий появляется на трёхкратной частоте, и от него надо избавиться.
Как вариант, сместить динамик от закрытого конца трубы на треть её длины. Волна, отразившись от закрытого конца трубы, вернётся к динамику в противофазе и компенсирует сама себя. Это простое и популярное решение, которое часто применяется в конструкциях ЧВ. С более высокими резонансами вполне справляется звукопоглощающий материал вроде поролона или волокнистых материалов.

На этом ликбез закончен, в продолжении будет расчёт.