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
Акустические системы: типы динамиков (часть 3)
Сохранить и прочитать потом —
В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.
Широкополосник
Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.
Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.
Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00
Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.
Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.
Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.
Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10
Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.
При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.
В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.
Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.
С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.
Твитер
Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).
Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.
Твитер колонки Apple HomePod
Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.
Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.
Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.
Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04
Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?
Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.
Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.
Среднечастотный динамик
Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.
Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром
Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.
Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.
Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором
Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.
НЧ-драйвер
Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.
Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.
24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology
Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.
Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.
Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.
18-дюймовый басовый вуфер JBL
Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.
Коаксиальные драйверы
В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.
Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.
В первый раз, когда ИллСиб перешли от «вы как та девочка» к «вы — та девочка», ариекаи заметно вздрогнули. Эта до странности аппетитная ложь «вы есть» родилась из ставшей уже привычной для них правды «вы похожи». А за ней и противоположное утверждение о том, что их враги также похожи на меня, как они сами. Мы показали им, как легко их собственные аргументы превращают в лжецов их самих.
Строение коаксиального драйвера KEF UniQ
Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.
Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.
Коаксиальный динамик TAD CST
И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.
Специализированные динамики
Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.
Динамики наушников
Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.
С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.
Динамик наушников Apple EarPods
Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.
В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.
Источник