Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука, издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS ( Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе — активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая.

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц — 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц — 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 — 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц — 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц — 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Гармонические искажения — это, попросту, такие искажения, которые кратны основному тону сигнала. Паразитные гармоники в спектре придают звучанию новый тембр и ведут к невосполнимым потерям в звуке. Обычно гармонические искажения измеряются подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц. С помощью специального фильтра в звуковом сигнале находят лишние гармоники и определяют их мощность.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

Источник

«Анатомия» домашних акустических систем: электростаты. Ода ровной АЧХ, страсти по цене, возможности DIY

Развивая цикл о критериях выбора акустических систем, я решил продолжить повествование рассказом об излучателях. Каждому типу будет посвящён отдельный материал, в этом посте я расскажу об электростатических акустических системах.

Электростатические системы стоят особняком в силу их не большой распространённости, высокой стоимости, а также уникальных характеристик. Те, кто слышал электростатическую акустику, знают о том, что точность передачи звука в подобных системах существенно выше, чем у большинства АС других типов.

Простой принцип – сложные технологии

Физический принцип, на котором основана работа электростатов, достаточно прост. Колебания звуковой частоты создаются токопроводящей сверхтонкой (от 15 до 3 микрон) мембраной (как правило, с высоким сопротивлением), на которую подается ток высокого (до нескольких кВ) напряжения.

Мембрана, взаимодействуя с электрическим полем статоров (на которые подаётся звуковой сигнал большого напряжения с разной, для каждого статора полярностью), излучает звуковые волны. В качестве статоров, в большинстве случаев, используются перфорированные листы металла (стали или алюминия) или проволока, мембрана изготавливается из сверхтонких синтетических плёнок. Принцип позволяет свести искажения к исчезающе малым величинам и получить практически идеально ровную АЧХ.

Несмотря на кажущуюся простоту, технологическая реализация принципов электростатической акустики тяжело приживается в массовом производстве. Производителей такой акустики (не считая наушников) можно в буквальном смысле пересчитать по пальцам двух рук. Причины низкого интереса крупных игроков аудиорынка к электростатам много, основные, следующие: дорогостоящая мембрана, высокие требования к сборке, необходимость в использовании усилителей с выходным трансформатором, либо применение трансформатора в конструкции АС. Как следствие всего вышеописанного, стоимость АС становится достойной описания в баснях Крылова.

Большой проблемой для электростатических систем стало воспроизведение низких. Так как для полноценного звучания в низкочастотной и мид-бас диапазоне необходима огромная (несколько квадратных метров) площадь излучателя. Для решения этой проблемы без увеличения площади мембраны, электростаты оснащают дополнительными электродинамическими излучателями и, соответственно, кроссоверами для разделения полос.

Краткая история электростатов от 19-го века до наших дней

Большинство источников сходятся на том, что сам принцип работы электростатических излучателей почти ровесник электроакустики, как области физического знания, и появился в конце 19 в. Впервые такое устройство было продемонстрировано на Парижской электрической выставке в 1881 году.

Попытки создать электростатическую АС начались ещё до Великой (первой мировой) войны. С 1920-х годов известно использование коммерческих однотактных (с 1-м статором) электростатов для озвучивания концертных площадок, залов заседаний, открытых площадок для массовых мероприятий, а также для воспроизведения музыки в дорогих немых кинотеатрах. Такие АС применялись с первыми ламповыми усилителями.

Наиболее успешными в коммерческом отношении (в 20-х – 30-х) стали первые двухтактные электростатические АС, созданные немецким инженером Гансом Фогтом.

Эти АС ограниченно применялись в кинотеатрах для звукового кино до конца 30-х годов. Главной проблемой АС этого типа в то время была низкая живучесть, за счет использования низкоомной алюминиевой фольги (экспериментировали также с золотой фольгой и рядом других проводников), которая имела свойство сгорать при пробое. Развитие ферромагнетиков (соответственно электродинамических громкоговорителей), и отсутствие эффективных материалов для создания мембран остановило дальнейшее развитие электростатов вплоть до 50-х.

Следующим эпохальным моментом в развитии электростатов стало появление лавсана, который был наиболее подходящим материалом для мембраны. В 1953-м году Артур Янсен получает патент на новый тип электростатического излучателя, а уже в 1957-м появляется самый долгоживущий электростат QUAD ESL57, выпуск которого продолжался вплоть до 1981-го года. Оригинальные конструкции предлагали Вильямсон и Рид.

Настоящим прорывом для электростатической акустики стал стартап Гейла Мартина Сандерса и Рона Логана Сазерленда, которые, «изваяв» в гараже электростатическую акустику оригинальной конструкции, вытащили её на Свет Божий и показали честному люду на Чикагской CES в 1982-м году.

Результат был внушительным: изобретение стало призёром выставки, а партнёры разработчики по сей день зарабатывают серийным производством электростатов. К слову, компания Martin Logan заслужено считается одним из лучших производителей таких АС.

Достоинства

Одним из главных достоинств электростатических АС является исчезающе низкий уровень искажений. THD составляет не более 0,5 %, IMD не превышают 1 %, практически отсутствуют фазовые искажения. Ещё одним внушительным плюсом является то, что неравномерность АЧХ современных электростатов находится в пределах ±3 дБ. Широкий частотный диапазон (в среднем от 100 Гц до 40 000 кГц). АС c большой площадью мембраны могут успешно справляться с мидбасом и низкими.

За исключением сравнительно низкой чувствительности и иногда ограниченного нижнего порога частотного диапазона в отношении звуковоспроизведения, электростатические АС практически не имеют недостатков и сравнимы, пожалуй, только с ионофонами.

Идеальными для современных электростатов характеристиками обладает активная комбинированная (ЭС+ динамический бас) АС Martin Logan Renaissance ESL 15A.

• Минимальная рекомендуемая мощность, Вт: 20
• Максимальная мощность, Вт: 700
• Чувствительность: 92 дБ
• Импеданс: 4 Ом
• Диапазон воспроизводимых частот: 22-21000 Гц (±3 дБ)
• Частота разделения кроссовера: 300 Гц
• THD: менее 0,1 %
• IMD: менее 0,5 %

Недостатки

DIY электростаты – не миф, но факт

Простота принципа работы электростатических АС открывает возможности для самостоятельной разработки. У меня есть сомнения, что можно легко самостоятельно собрать электростаты, дотягивающие до уровня серийных образцов, но люди, у которых руки растут из туловища, обычно не тратят время на поиски лёгких путей.

Так или иначе, гаражный опыт Гейла Мартина Сандерса и Рона Логана Сазерленда показывает практическую осуществимость подобного смелого замысла. Кто знает, возможно через 10 лет пульт будет торговать электростатами одного из читателей этих строк.

Пользователь KRIdas даёт очень ценные рекомендации по самостоятельному созданию электростатической АС в конференции на xbit.

Несколько важных моментов, о которых писал KRIdas:

• Необходимо использовать плёнку толщиной не более 30 микрон (лучше попасть в диапазон от 3 до 15 микрон)
• В качестве перфорированных решеток можно использовать стальные или алюминиевые листы с диаметром отверстий 3 мм и шагом 4 мм
• зазоры между мембраной и статорами должен составлять около 3 мм

Совсем немного джинсы

В нашем каталоге представлены несколько электростатических акустических систем. Наши эксперты постарались выбрать лучшее из того, что сегодня существует на рынке этих бескомпромиссных устройств. Качество удовлетворит даже самых притязательных аудиофилов. Предупреждаю – цены не просто кусаются, но норовят отгрызть руку вместе с кредиткой.

Источник