Акустическое оформление динамика

Акустическое оформление динамика: давайте начнем с вопроса, зачем оно нужно. Все мы представляем себе старые радиоприемники (радиолы), где в передней стенке была установлена единственная (широкополосная) динамическая головка. Они звучали, хотя и не давали глубокого, бархатистого баса, при этом их динамик как будто не имел какого-то специального акустического оформления (специального корпуса акустической системы). К этому вопросу мы еще вернемся ниже и увидим, что на самом деле это не так.

Хотя если взять динамическую головку, подключить ее к усилителю, расположив как-то произвольно, например, подвесив на чем-либо, мы, безусловно, услышим звук. Однако услышим ли мы все возможности данной головки? В высокочастотном диапазоне, пожалуй, да (если их не ограничивает сама запись и весь усиливающий тракт). В чем же проблема звучания полностью открытого динамика для низкочастотного и средне-низкочастотного диапазонов?

Чтобы понять, в чем проблема воспроизведения низких частот динамиком, расположенном в открытом пространстве, нужно ввести понятие акустического короткого замыкания. В чем же суть этого процесса? Диффузор динамической головки (за исключением высокочастотных головок) открыт как спереди, так и сзади. При этом очевидно, что при движении его вперед он сжимает воздух спереди и разрежает его сзади.

Как правило, низкочастотные и среднечастотные динамические головки имеют диаметр где-то от 10 до 30 см. В такой ситуации в их диапазоне излучения воздух имеет возможность перетекать, огибая край динамика, с одной стороны на другую. Что же получается? Получается, что передняя и задняя часть диффузора звучат в противофазе, и за счет этого перетекания звуковое давление головки ослабляется. Ослабляется оно тем больше, чем ниже частота излучаемой волны.

Дело в том, что эффект акустического короткого замыкания зависим от длины волны излучаемого звука. На самом нижнем участке слышимого диапазона (десятки герц) он максимален. Длина волны звука в этом случае сильно превышает линейные размеры динамика. Таким образом, звуковая волна огибает его край и гасит колебания с противоположной его стороны.

Акустический экран или щит

Чем выше частота звука, тем этот эффект проявляется меньше. И здесь мы подходим к первому и простейшему (с точки зрения физики процесса) варианту. Но он, однако, не так прост в плане практической реализации. Этот вариант акустического оформления – акустический экран или щит. Действительно, чтобы предотвратить акустическое короткое замыкание в самом низкочастотном диапазоне, размер такого экрана должен быть соизмерим с длиной волны на нижней его границе, а это – десятки метров. На практике такое реализовать трудно, а дома – нереально.

Тем не менее, щит как акустическое оформление применяется на практике в элитных акустических системах очень высокой стоимости с дорогими динамическими головками, как правило, большого диаметра. При этом даже с такими головками акустическое короткое замыкание при применении щита не исключается, и в самом низу ослабление басов будет. Однако, поскольку диффузор динамика работает в свободном пространстве, такая акустическая система имеет минимум искажений. Правда, здесь нас подстерегает другая проблема – искажения от стен.

Поэтому щит нельзя устанавливать в непосредственной близости от стен, а сами стены должны быть оборудованы звукопоглощающими панелями. Короче говоря, как бы вы не любили идеальный звук, но если вы живете в небольшой квартире и не имеете возможности оборудовать свою комнату для прослушивания музыки, вам такое решение не подойдет.

Открытый ящик

Теперь давайте подумаем, как можно улучшить акустический экран, не меняя его сути. Такое решение очевидно. Ведь если загнуть боковые стенки щита, то можно увеличить путь звуковой волны для достижения акустического замыкания, не увеличивая фронтальные его габариты. Теперь уже получается ящик с боковыми стенками, но без задней. Динамик продолжает играть в открытом пространстве, но теперь, при прочих равных, габариты акустического оформления уменьшились.

Правда, могут быть отражения от боковых стенок, но эти стенки можно задемпфировать (то есть покрыть их звукопоглощающим материалом). При очень глубоком ящике (правда, на практике такие не применяют) у ящика может стать резонатором уже труба. Но это уже нереальный случай и совсем другое акустическое оформление. Тем не менее, на средних частотах неудачные пропорции ящика могут ухудшить его звучание. Поэтому глубокой такую акустику обычно не делают, при этом боковые стенки позволяют уменьшить (по сравнению со щитом) размеры ее передней стенки на 25-40%, что уже неплохо.

А в случае с открытым ящиком нас ждут всё те же проблемы акустики помещения, в котором он установлен – отражения от стен. Следующее развитие все того же открытого ящика связано с тем, что его низкочастотную составляющую можно несколько улучшить, частично затруднив движение звуковой волны через заднюю стенку, закрыв ее легкой панелью с большим количеством отверстий, тем не менее ограничивающих, в некоторой степени, прохождение звуковой волны (панель акустического сопротивления).

Если площадь этих отверстий окажется недостаточной, появятся проблемы с атакой (динамичностью звучания) на низких частотах, поэтому оптимальное соотношение открытости/закрытости ящика подбирается на слух. А теперь давайте вернемся в начало статьи и вспомним, где мы видели подобные панели акустического сопротивления. Ну конечно, это старые ламповые приемники и радиолы, колонки некоторых электрофонов! Вот оно, новое – хорошо забытое старое! Однако тот уровень низких частот, который удовлетворял большинство пользователей в 50-60-х годы прошлого века, в 70-е годы уже переставал устраивать многих.

Закрытый ящик

Далее, логично рассуждая, теперь задаемся вопросом: если частичное закрытие задней стенки нам поднимало низкочастотную характеристику акустической системы, может быть, ее стоит совсем закрыть?

Да, сделать это оказалось возможным, однако свойства динамической головки, которая будет работать с закрытым ящиком, по сравнению с излучателями наших ламповых радиол, должны быть уже другими. Здесь в первую очередь стоит упомянуть так называемую добротность динамика (подробнее о характеристиках динамических головок будем говорить отдельно) и минимальную нижнюю частоту, которую он способен отыграть. Пока в двух словах: добротность – острота резонанса колебательной системы (а диффузор на своих подвесах, конечно, является колебательной системой).

Не вдаваясь сейчас в подробности, скажем, что закрытая герметично акустическая система повышает как добротность врезанной в нее головки, так и частоту резонанса всей системы, а значит, повышает и нижнюю частоту, которую последняя может воспроизвести.

С другой стороны, закрытый ящик (если он достаточно жесткий) убирает тыльное излучение динамика и исключает (на уровне динамика) акустическое короткое замыкание. Впрочем, при небольшой ширине нашей акустики оно может возникнуть на уровне системы в целом. Но это уже отдельный разговор. А мы можем теперь намного меньше заботиться о том, что у нас сзади колонок оказалась стена.

При этом, конечно, громкость закрытой акустики будет снижена за счет того, что тыльное излучение изолировано, а внутри ее могут возникать различные резонансные явления (о которых также стоит поговорить отдельно). Здесь только скажем, что для уменьшения последних внутренние стенки закрытого ящика, да и в ряде случаев все его пространство, демпфируют звукопоглощающими материалами.

Такие акустические системы были достаточно популярны в 70-х – начале 80-х годов прошлого века. Сейчас же рынок практически полностью забит, за исключением, пожалуй, совсем элитного сегмента, акустическим оформлением типа фазоинвертор. Что же это за акустическое оформление, и почему оно столь популярно?

Фазоинвертор

Двигаемся далее в своих рассуждениях и зададимся вопросом: а можно ли использовать излучение тыльной стороны динамика, которое в закрытом ящике теряется вследствие его закрытости, но не возвращаться к полностью открытым решениям? Да, здесь просматриваются, как минимум, два варианта. Первого мы уже немного касались: это превратить ящик в длинную трубу (но об этом ниже). Второе решение – это встроить резонатор меньших размеров в закрытый ящик. Это и есть фазоинверторное оформление, заполонившее рынок.

Как это работает? Частота дополнительного резонатора (он может быть как трубкой, так и щелью в корпусе системы) подбирается несколько ниже той частоты, которую может эффективно отыгрывать наша низкочастотная головка. Таким образом, получается, что до определенной частоты играет динамик, а ниже, за счет резонанса фазоинвертора (порта), звучание в основном идет через последний. При этом фазы сигнала «гуляют» в зависимости от его частоты, и рассчитать все тонкости звучания подобной системы непросто (хотя есть и формулы и готовые программные решения).

На выходе мы получаем некое компромиссное решение, имеющее (особенно при некоторых просчетах) ряд проблем (например, призвуки воздуха, движущегося через порт). При всём этом, данное решение позволяет расширить диапазон звучания низкочастотной динамической головки при относительно небольших размерах корпуса системы. Помните, что закрытый ящик повышает порог звучания динамика?

Это, в свою очередь, дает возможность делать массовые моднели акустических систем при меньших затратах, используя и более бюджетные динамики. Для большинства неискушенных слушателей это приемлемо. Однако, справедливости ради, стоит сказать, что при точном расчете фазоинверторная система с хорошими головками и достаточно толстостенным корпусом может звучать на высоком уровне (особенно системы с двумя портами). И мы видим, что есть и достаточно дорогие и при этом хорошие (что не всегда коррелирует) фазоинверторные системы.

Пассивный излучатель

Теперь еще об одном варианте дополнительного резонатора в акустических системах. А что если столб воздуха, заключенный в порт, заменить мембраной, которая будет работать на своем резонансе также чуть ниже основного динамика?

Да, и так можно. Такое решение называют обычно – пассивный излучатель, пассивный динамик, пассивный радиатор. Хотя «радиатор» здесь звучит как-то неуместно.

Какие будут у такого решения плюсы и минусы? Раз мы заменили воздух на диффузор (кстати, обычно для этой цели берут корзину от динамика с диффузором, подвесом, но без катушки и магнита), то призвуков от движения воздуха через порт не может быть по определению.

Это хорошо, что же плохо? Плохо, что наш пассивный излучатель весит существенно больше воздуха. При низком собственном резонансе его вес будет снижать динамику на низких частотах. Кроме того, недоделанный динамик стоит больше трубки порта (хотя это вопрос отдельный и неоднозначный). Пассивный излучатель требует тонкой настройки.

В результате, такое решение находит применение, как правило, в двух абсолютно полярных сегментах: в совсем дешевых компактных переносных системах – бумбоксах, имеющих достаточно отдаленное отношение к музыке, и в элитных сабвуферах.

Трансмиссионная линия, или акустический лабиринт

А сейчас давайте немного вернемся назад (к открытому ящику) и попробуем сделать его настолько глубоким, что он превратится в трубу, имеющую собственный резонанс в области низких частот. Теперь фазоинвертор нам оказывается не нужен. Резонанс корпуса акустической системы может сам по себе быть настроен так, что расширит звучание динамика вниз, причем, в отличие от фазоинвертора, он сделает это более мягко, с меньшей добротностью.

Дело в том, что фазоинвертор, хотя и расширяет вниз диапазон динамической головки, но спад его резонанса оказывается более крутым, что также не очень хорошо воспринимается на слух. Рассматриваемое нами решение – трансмиссионная линия – дает долее плавный и естественный спад. О трансмиссионных линиях можно говорить достаточно много (они требуют даже не одной статьи, а целой серии). В этой обзорной публикации считаю необходимым, в основном, обозначить темы для более подробных разговоров.

Поэтому, не углубляясь в типы трансмиссионных линий, кратко пробежимся по их общим плюсам и минусам. Итак, трансмиссионная линия, как правило, не компактное решение, хотя если ее свернуть во много раз (гармошкой), можно делать и полочные варианты. Большое количество изгибов, при этом, добавляет дополнительные паразитные резонансы (а это и есть основная проблема такого акустического оформления).

Конструкций трансмиссионных линий огромное множество. На нашей схеме изображён вариант, в котором, динамическая головка расположена не в конце линии а на 1/3 от ее начала (так делают в большинстве разработок). Данный прием позволяет существенно ослабить вторую (самую значимую) гармонику линии.

Бороться с остальными (более слабыми) приходиться, как всегда, заполняя трансмиссионную линию звукопоглощающими материалами. А если с демпфированием переборщить, то, как обычно, получим снижение атаки и более вялый звук. Так что опять, как и с любыми рассмотренными нами сегодня вариантами акустического оформления, получается искусство компромиссов. А это лишний раз подтверждает, что нет в мире идеальных решений, а любое качественное изделие – это лучшее сочетание компромиссов.