Анатомия акустических систем: споры о широкой полосе
Так сложилось, что иногда в нашем блоге мы задеваем вопросы, вызывающие достаточно бурное, живое обсуждение на этом и других ресурсах. Полагаю, что так будет и в этот раз, так как речь пойдёт о почти философском (для некоторых людей) вопросе: преимуществах и недостатках широкополосных АС в сравнении с многополосными.
Дискуссии на тему: имеет ли размер значение , что лучше – одна широкая или много узких, сотрясает форумы филофонистов и меломанов не один год. Как и прежде я не намерен ставить в спорах точку и лишь подготовлю почву для дискуссии, подробно изложив некоторые факты, и обозначу собственное субъективное мнение о проблеме.
Отмечу, что я являюсь сторонником многополосных АС, и по ряду причин полагаю, что чем больше полос (в разумных, конечно, пределах), тем лучше. В силу изложенного выше, я могу быть несколько необъективным в оценке полярной точки зрения (но буду стараться сохранить нейтральный подход).
Суть споров
Практика применения широкополосных динамических излучателей и АС, созданных на их основе, сформировала устойчивый стереотип о том, что чем шире частотный диапазон электродинамического излучателя, тем ниже его линейность. Соответственно, у подавляющего большинства широкополосных излучателей, как правило, не очень ровная АЧХ, также для многих излучателей этого типа характерен высокий уровень гармоник и интермодуляционных искажений.
Такое мнение подтверждается целым рядом чистых, с точки зрения физики звука и психоакустики, экспериментов, проведенных за последние 40 лет. В экспериментах сравнивались широкополосные и многополосные АС. В связи с наличием серьёзных недостатков (низкая линейность компонентов, оборудованных широкополосными излучателями), подавляющее большинство производителей отказались от широкой полосы и стали выпускать многополосную акустику.
Противники многополосной акустики утверждают, что низкая линейность динамиков подобных систем с лихвой компенсируется отсутствием «ужасных фазовых искажений», «чудовищных проблем» с линейностью кроссоверов, разделяющих звук на полосы.
Иными словами: у многополосников фильтры «безбожно крутят фазу», что «ужасно» отражается на звуке. Кроме того, не редко заявляется о том, что пассивные кроссоверы способны существенно ухудшить динамические характеристики системы, снизить детальность звучания и сделать его «плоским». Перечисленные недостатки относятся в основном к пассивным кроссоверам, а недостатком активных является их стоимость.
Кроме прочего, приверженцы широкополосных АС часто апеллируют к неким магически-метафизическим особенностям влияния, воспроизведённого ими звука. В качестве демонстрации «магического» воздействия звука, издаваемого такой АС, приведу одну цитату (она вполне отражает мнение тех, кто апеллирует к «шаманизму» в этом вопросе):
«Но с другой стороны, сам не заметив, я через какое-то время я перешел от анализа звучания к прослушиванию музыки. Ставил композицию за композицией, слушал час вместо запланированных 10-15 минут. Потом появилось очень интересное ощущение — захотелось подпевать за исполнителем, попытаться сыграть аккорд за инструментом — хотя и то и другое после привычной уху самоделке на СканСпиках разбиралось с трудом =). Выключив аппаратуру, ушел в очень положительном настроении — появилось ощущение, что услышал что-то то, что никогда не слышал раньше — что именно, сказать сложно. Но — получается правы те, кто говорит о какой-то магической стороне широкополосников. »
(орфография и пунктуация сохранены)
Многополосные АС
Объективно, подавляющее большинство многополосных АС обладают рядом преимуществ. Для большинства многополосных систем с пассивными кроссоверами характерны:
- Более равномерная АЧХ, в сравнении с широкополосными системами;
- Частотный спектр, достаточный для воспроизведения всех слышимых частот (20 Гц – 20кГц против 60 – 18 000 Гц у большинства широкополосных);
- Меньшая чувствительность, но за счет этого большая линейность компонента;
- У систем высокого класса, как правило, решена проблема фазолинейности фильтров (фазовые задержки находятся за порогом человеческого восприятия).
АС с активными кроссоверами обладают теми же достоинствами, при этом имеют значительно меньшее количество проблем с ФЧХ и большую крутизну среза (порядка 10-25 Дб). Основной недостаток систем с активным кроссовером является стоимость, они, как правило, в 2-3 раза дороже своих пассивных собратьев.
АЧХ качественной трехполосной акустики
Как я уже отмечал, помимо сложности конструкции и цены для многополосных систем характерно наличие фазочастотных искажений. При этом следует учитывать, что этот тип искажений может быть заметен только в случае, если превышаются пороги слышимости ГВЗ (которые в области 2 кГц составляют около 1 мс). Подавляющее большинство производителей акустических систем ориентируются на этот критерий с середины 90-х по нынешнее время.
«За» и «против» широкой полосы
Несмотря на «засилье» многополосной акустики на современном рынке, не все компании отказались от разработок в области «широкой полосы». Так, например, компании В&С, BHL, P.audio, Edge и Beyma считают исследования в этой области оправданными и продолжают выпускать широкополосные динамические громкоговорители высокой чувствительности. В частности, этими компаниями были предложены технические решения, позволяющие увеличить диапазон ВЧ подобных динамиков. Это было сделано за счет использования коаксиальной конструкции излучателей и других оригинальных решений (размещение специальных диффузорных «надстроек», присоединяющихся к центральному керну динамика и пр.). Такие системы особенно популярны в автозвуке и встраиваемой акустике.
Сравнение АЧХ 2-х шмирокополосных динамиков
АС на основе таких динамиков близки к многополосным по графику АЧХ. Однако, в силу использованного принципа, все равно склонны к образованию горба в области средних и «урезанию» остальных частот, особенно в области НЧ-диапазона. Следует также отметить, что расширение спектра широкополосных динамиков в сторону НЧ неизбежно связано с увеличением площади излучателя, что, как правило, приводит инженеров в тупик.
Кроме того необходимо учитывать, что среди приверженцев подобной акустики «true-вариантом» считается применение закрытого акустического оформления. Это, в свою очередь, не даёт производителям использовать фазоинверторный тип «ящиков», который смог бы усилить низкие в общей «картине». По той же причине в таких АС используются динамики с высокой чувствительностью, что отнюдь не добавляет линейности таким системам.
Известно, что наиболее серьёзные проблемы с линейностью широкополосных излучателей отмечаются в границах частотного раздела, что и объясняет большую распространённость многополосников.
Как я ни старался быть нейтральным – не получилось. В заключение могу отметить, что мои личные впечатления от прослушивания широкополосной акустики вполне совпадают с тем, что мне доводилось читать о проблемах этих систем. Звучание изобилует средними частотами и не создаёт ожидаемой объёмной сцены, низов – нет. Иными словами, несмотря на отсутствие фазовых проблем, присущих многополосным системам, широкополосники удовлетворительными считать не могу. Нелинейность, особенно выраженная в спектрах частотного раздела, убивает все достоинства «широкой полосы».
Пока писал пост, в гости зашел знакомый звурежиссер, резюмировал: «Все утверждения, что линейный звук добывается из одного излучателя — глупость полная».
Искренне надеюсь, что среди читателей найдутся люди, которые знают, по какой ещё причине среди аудиофилов пользуется популярностью широкополосная акустика. Как я уже написал, мне не удалось быть объективным. Жду комментариев, опровергающих мою точку зрения.
Источник
Оптимальные частоты среза в трехполосной АС
Это опять я, со своими трехполосками. Вопрос новый появился.
Как считаете, какие частоты среза оптимальны для трехполосной АС?
А то в инетах много кто пишет что СЧ диапазон разрывать нельзя, типа СЧ
должен играть максимально широко, чтобы не портить общую картину.
Что то там из разряда психоакустики, не помню.
Встречал конструкции со срезом аж 300 по моему Гц по низам, и 8. 10кГц по верхам.
А кто то пишет пофиг где резать, по динамикам лучше ориентироваться.
Логикой понимаю, что так все и делают, но вдруг адепты широкой полосы
среднечастотника не врут, и так действительно лучше.
Есть какие то определенные правила на этот счет? Как лучше порезать?
Интересно вообще, с какой частоты размер диффузора имеет значение?
Знаю по опыту, что у двухполосок верх середины звучит крайне убого. Звучание сухое и зажатое.
И никакими эквалайзерами это не правится. И наоборот у трехполосок верхние СЧ яркие, воздушные. Вот не прогадать бы с этим еще. Не взвалить бы на пищалку те частоты, что среднечастотник отрабатывает гораздо лучше. И наоборот.
Забыл ага динамики то выложить, дома вечером выложу. Не могумс телефона.
Если вы заранее не продумываете вопрос частот стыковки полос, а выбрали динамики исходя из других соображений, то частоты, точнее их диапазон, вам задают выбранные динамики.
Однако есть ряд предпочтительных зон частот.
от 150 Гц до 300 Гц.
Ниже 150 Гц пассивная фильтрация в АС создает запаздывание сигнала выше границы слышимости. Это означает, что вы ни какими силами не получите четкого баса. Ниже 120 Гц фильтрация только активная или цифровая.
Выше 300 Гц область нижней середины, где чувствительность слуха очень велика. Потому частот типа 600 Гц стоит избегать.
от 750 до 850 Гц
Эта зона с пониженной чувствительностью слуха была найдена JBL при соответствующих исследованиях. Очень удобна для стыковки с серединой
Выше и вплоть до 3000-3500 зона очень высокой чувствительности слуха, зона голосовых обертонов и резать тут очень нежелательно. Часто встречаемая частота сшивки 1000-1200 Гц для рупорных систем — компромисс из-за особенностей работы ВЧ драйверов. Киношита снижает частоту сшивки, улучшая слышимые параметры АС ценой значительного снижения надежности работы ВЧ драйвера.
от 3500 и выше
В принципе, выше чувствительность слуха к аномалиям заметно падает и выбор частоты в этой зоне обуславливается другими соображениями.
Главные соображения по выбору частоты сшивок в разных зонах:
1. Характеристики направленности. Для каждого динамика, работающего до частоты сшивки надо построить графики спадания АЧХ при уходе с оси АС. Сшивать хорошо бы еще до того, как завалятся внеосевые АЧХ
2. Характеристики по искажениям. Для каждого динамики, работающего выше частоты сшивки надо посмотреть зависимости искажений от частоты и не допускать работы на частотах с заметным ростом искажений.
Источник
Частота раздела трехполосной акустики
Иллюстрации, главным образом, автора
В предыдущей статье (см. «АвтоЗвук» №5 за этот год) мы с уважаемым читателем вместе, в ногу, так сказать, шли к мысли о необходимости частотного разделения в акустических системах. И пришли. Всем хороша идея воспроизведения звукового диапазона одним излучателем, но, как говорится, рад бы в рай. Качества звучания, адекватного современным требованиям, от однополосной системы не получить.
Сегодня мы познакомимся с не менее важными, чем в прошлый раз, особенностями частотного разделения в многополосных АС, попытаемся рассчитать реальную многополосную систему, побеседуем о преимуществах и недостатках так называемой активной фильтрации. Главный поток наших мыслей направлен, разумеется, в сторону автомобильного аудио, однако и обычное, домашнее, обижать не будем, истоки все-таки там.
Фаза – для синусоидального сигнала – аргумент, то есть то, что стоит под знаком синуса. Разность фаз двух сигналов – разность аргументов. Понятие фазы наиболее строго может быть введено только для синусоидальных сигналов. Фильтры вносят сдвиг по фазе между синусоидальным входным и выходным напряжением, который можно измерить фазометром или зарегистрировать двухлучевым осциллоскопом. Этот сдвиг зависит от частоты сигнала.
Частота – производная фазы по времени, проще – скорость изменения фазы, да еще поделенная на 2p (мгновенная частота). Для синусоидальных процессов – величина, обратная периоду. Для несинусоидальных процессов понятие частоты строго введено быть не может, так как не существует строгого определения фазы.
Нередко для любого периодического процесса за частоту принимают величину, обратную периоду, однако такой параметр характеризует процесс лишь в общих чертах, понятие мгновенной частоты в таком случае очень расплывчато. Иногда для сложных процессов приходится вводить понятие частость, как параметр, связанный с числом пересечений оси абсцисс в единицу времени: понятно, что за отрезок периодичности процесс может пересечь ось абсцисс сколько угодно раз.
Фильтр – устройство, обладающее зависимостью каких-либо физических параметров от частоты, причем эта зависимость может быть обнаружена через внешние проявления. Фильтр электрический имеет зависимость от частоты отношения нормированных амплитуд синусоидальных сигналов на выходе и входе (АЧХ), разности фаз между синусоидальными сигналами на выходе и входе (ФЧХ) и ряда других параметров. Эти свойства фильтра и используются в инженерной практике.
Фильтр нижних частот (ФНЧ) – фильтр, который пропускает синусоидальные сигналы до определенной частоты, а затем начинает пропускать их с ослаблением, называемым вносимым фильтром затуханием.
Фильтр верхних частот (ФВЧ) – то же, только наоборот.
Полосовой фильтр – пропускает или не пропускает сигналы, лежащие в определенной полосе частот, то есть те синусоидальные сигналы, частота которых выше определенной Fн, но ниже определенной Fв. Может интерпретироваться как совокупность ФНЧ и ФВЧ.
Всепропускающий фильтр – фильтр, имеющий плоскую АЧХ во всем диапазоне частот. Как фильтр, то есть, устройство, предназначенное для частотной фильтрации, смысла не имеет. Однако, обладая определенной ФЧХ, может использоваться как фазовый корректор. В акустических системах применяются всепропускающие фильтры, однако их всепропускающие свойства проявляются только после акустического сложения сигналов излучателей (динамиков) различных полос, для которых фильтр выполняет самые что ни на есть обычные, частотно-фильтрующие свойства.
Фазокогерентный фильтр – не совсем корректное название фильтров, имеющих нулевую либо постоянную, либо линейно нарастающую ФЧХ. Опять-таки, в АС фазокогерентные свойства начинают проявляться только после акустического сложения полосных сигналов. Каждый же полосный сигнал (сабвуфера, мидбаса и т.д.), пройдя через фильтр, получает нелинейный фазовый сдвиг.
Только всепропускающий фазокогерентный фильтр не изменяет форму несинусоидального сигнала. Человеческое ухо чувствительно к форме музыкального сигнала даже в отсутствие нелинейных искажений.
Пассивный фильтр – фильтр из пассивных линейных элементов – индуктивностей, емкостей, резисторов.
Линейные элементы – образуют линейные электрические цепи – те, которые не изменяют форму синусоидального сигнала.
Активный фильтр – устройство, использующее усилительные элементы (лампы, транзисторы, микросхемы и т.п.) и обладающее частотно-избирательными свойствами, то есть определенной АЧХ и ФЧХ. Как правило, применяются на малом уровне мощности и позволяют получать требуемые характеристики легче, чем пассивные.
Два вопроса. Оба – ребром
Сколько полос иметь. Где делить звуковой частотный диапазон? Эти два вопроса устойчиво стоят ребром, несмотря на все технологические потрясения, и требуют аккуратного отдельного обсуждения. Сначала рассмотрим его в общем, применительно к АС универсального назначения, а потом поставим все с ног на колеса.
Как только акустики научились кое-как осуществлять частотное разделение в многополосных АС, море им показалось по колено, и стали появляться двух-, трех-, четырех- и т.д. полосные системы. Новому богу стали класть поклоны так усердно, что в процессе расшибания лба звучание становилось все хуже и хуже. Однако мыслящая часть акустической братии неуклонно набирала статистику и пыталась под всякое ее проявление подводить теоретическую базу, порой небезуспешно.
Путь акустиков 60 – 70-х гг. был извилист и тернист, глубокие раскопки сочетались с поиском под фонарем, отсутствие адекватных моделей человеческого музыкального слуха приводило к созданию удивительных по своей бездарности громыхалок (здесь вклад в мировой процесс сделала и отечественная промышленность). Но наряду с ними были и шедевры, о которых хочется вспоминать до сих пор.
Умение производить высококачественные широкополосные головки кануло вместе с осколками Третьего Рейха, головки же, предназначенные для воспроизведения ограниченного частотного диапазона, явно не справлялись и с облегченной задачей.
Радиолюбители со стажем наверняка вспомнят, какой удивительно корявой АЧХ отличались детища отечественного гения – головки 10ГД-30, 15ГД-11, и как сильна была ностальгия их обладателей по томному и естественному звуку 8ГД-1, 2А-9 и им подобных.
Три частотные полосы в те далекие времена казались разумным минимумом, но даже в трехполосных системах НЧ-головка не справлялась с верхней частью отведенного ей диапазона. Двухполосные системы хоть и выпускались, но вообще никак не играли.*
*Некоторое исключение – первые отечественные малогабаритные системы 10МАС и 6МАС для своего времени, цены и размеров были, в общем-то, не катастрофой. Правда, и не мечтой.
Прошло время, и выяснилось: большинство современных домашних АС – двухполосные. По объему выпуска им немного уступают трехполосные системы, четырехполосные редки, пятиполосные – экзотика или бред, в зависимости от марки.
Двухполосная акустика производятся с предположением, что покупатель смирится с отсутствием баса. Ни одна двухполосная система баса не обеспечивает. Не скажу, что это невозможно, однако, не делают. Почему – скажу, но чуть позже. Итак, двухполосная система имеет НЧ-головку, на которую подаются частоты от нуля до частоты раздела и ВЧ-излучатель, потребляющий все остальные.
Главных достоинств у двухполосной системы два:
Первое – простота. Дальнейшие комментарии излишни.
Второе не столь очевидно, но на самом деле куда важнее. Как правило, частота разделения полос, если их две, выбирается в районе 3 – 5 кГц, то есть там, где уже заканчивается диапазон тонов и начинается зона сплошных обертонов. Напомним читателю, что самая высокая нота рояля имеет частоту чуть ниже 4 кГц и встречается в музыкальных произведениях реже, чем белые негры в Антарктике. Ухо же человеческое ослабляет свои капризные требования к изъянам ФЧХ, как только звук выйдет за пределы тонально значимого диапазона, и милостиво разрешает частотное разделение.
Недостатки. Главных, в общем случае, тоже два (применительно к использованию в автомобиле, появляются дополнительные):
В большинстве двухполосных систем НЧ-головка одновременно слишком велика и слишком мала. Приводит это к тому, что:
НЧ-головка не справляется с верхней частью отведенного ей диапазона (слишком большой диффузор теряет поршнеобразность движения, порождая искажения и изъяны в АЧХ и ФЧХ);
НЧ-головка слишком мала, чтобы корректно работать с басами. Недостаток площади диффузора она пытается скомпенсировать увеличенной амплитудой колебаний, в результате попадание на головку глубокого баса, как правило, а в фазоинверсных системах – с неизбежностью, вызывает чрезмерное увеличение амплитуды и безудержный рост искажений, в том числе и интермодуляционных.
Выбор сравнительно высокой частоты разделения НЧ/ВЧ при заметном, свойственном двухполосным системам разнесении акустических центров излучателей приводит к многолепестковости характеристики направленности на частоте разделения, с причинами которой мы ознакомились номером раньше. А слушатель, как всегда, недоволен. Ему нет дела до лепестковости – он слышит, что АС играет плохо, да сказать ничего не может.
В последнее время с появлением ВЧ-головок с существенно сниженной частотой резонанса появилась возможность заметного перераспределения частот по полосам. Все чаще встречается акустика с частотой раздела 2200, 2000 и даже 1800 Гц. Баса, конечно, в них побольше, так как уже не приходится тянуть диапазон НЧ-головки вверх до заоблачных вершин, и можно позволить ей заняться любимым делом. С лепестками опять же лучше: длина волны на частоте раздела увеличивается, и начинает превосходить расстояние между акустическими центрами. Да вот беда – гадкое ухо на частоте 2000 Гц оказывается наиболее чувствительным ко всякого рода фазовым и временным изъянам. Вот и играют АС так себе: и громкость, и динамика, и АЧХ, и искажения, – все в норме, а не радует.
Как правило, АС первого типа хороши (в пределах возможностей и с учетом недостатков) для воспроизведения вокала, небольших ансамблей и соло акустических инструментов. Второй тип более подходит для неклассических направлений, особенно неакустической, электронной музыки.
Трехполосные системы, как нетрудно догадаться, призваны обеспечить борьбу акустиков с недостатками двухполосных, естественно, кроме того, они просто обязаны наплодить новые недостатки, иначе будет скучно и неинтересно.
В трехполосных системах, исходя из их названия, три полосы и, следовательно, два частотных раздела. Раздел СЧ/ВЧ по своей сути ничем не отличается от такового в двухполосных системах, вот только размер СЧ-головки может оказаться небольшим, что упрощает борьбу с лепестками.
Что же касается раздела НЧ/СЧ, то здесь в аудиомире разыгрались настоящие баталии между приверженцами классических частот раздела (400 – 800 Гц), пониженных частот 200 – 400 Гц и совсем уж низких, 200 – 100 Гц и ниже. Желание снизить частоту разделения НЧ/СЧ понятно: и поршнеобразное движение диффузора сохранить легче, и ухо охотнее обманывается и не замечает изъянов в ФЧХ на более низких частотах разделения. Но одновременно повышаются требования к СЧ-головкам, и на самых низких частотах разделения во весь рост встают проблемы, характерные для двухполосных систем.
Источник