ЧТО ВНУТРИ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

       В обзорах и тестах мы уделяем большое внимание описанию акустических систем. Если подумать, то ничего удивительного в этом нет. Прекрасно понимая важность качественного источника звука и усилителя в стереосистеме или в домашнем кинотеатре, мы все же уверены, что наибольшее влияние на звуковые характеристики аудиокомплекса оказывают именно колонки. Они являются последним звеном в сложной цепи преобразования комбинации нулей и единиц, из которых состоит запись на компакт-диске, в механические колебания воздуха, которые мы и называем звуком. Чем корректнее колонки справляются со своей задачей, тем более качественный звук мы слышим. Впрочем, вопрос «качества звука» — весьма спорный, поскольку качество — понятие субъективное. Вернемся к этому вопросу несколько позже, а для начала познакомимся с основными конструктивными особенностями современных акустических систем (АС). Кроме того, в данном материале мы хотим разобраться с таким интересным вопросом, как направленность акустических систем различной конструкции, и какой из них отдать предпочтение для решения той или иной задачи.

      Прежде чем перейти к описанию конструкции акустических систем, необходимо разобраться с терминологией, чтобы не возникало путаницы в дальнейшем. Итак, полный акустический преобразователь, предназначенный для излучения звука в окружающую среду и состоящий из динамических головок, акустического оформления, разделительных фильтров и прочих электрических устройств, мы будем называть акустической системой, звуковой колонкой или громкоговорителем. Обратите внимание на последнее название. В английском языке термином «loudspeaker», т. е. «громкоговоритель», принято называть полную акустическую систему, в то время как в отечественной литературе этим словом частенько называли отдельные динамические головки. Сами динамические головки принято называть также драйверами или динамиками. Этих же терминов будем придерживаться и мы в нашем описании.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ

      На сегодняшний день в мире существует множество разнообразных конструкций громкоговорителей, базирующихся на самых различных физических принципах излучения звука (электростатические, плазменные, пьезокерамические и пр.). К рассказу об экзотических конструкциях громкоговорителей мы постараемся вернуться в одном из последующих выпусков V&A, сегодня же сосредоточим наше внимание на самых распространенных акустических системах — с электродинамическими катушечными преобразователями.
Задачей электродинамической акустической головки является, как вы знаете, преобразование электрических импульсов в механические колебания диффузора динамика, которые становятся источниками распространения звуковых волн.
Принцип действия электродинамического преобразователя прост, как все гениальное. Переменный электрический ток, проходя через звуковую катушку, является источником переменного магнитного поля, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с полем постоянного магнита. Результатом этого взаимодействия становится появление силы, которая приводит в движение звуковую катушку, жестко соединенную с диффузором динамика.
Основными элементами электродинамической головки являются диффузор с пылезащитным колпачком и гибким подвесом, звуковая катушка, магнитная система, диффузородержатель (корзина) и центрирующая шайба.
Подробное описание перечисленных элементов конструкции электродинамического драйвера проведем для низкочастотной головки, а затем рассмотрим нюансы, характерные для средне- и высокочастотных динамиков.

Диффузор

      Задача диффузора электродинамической головки очень важна — он приводит в движение массы воздуха, его перемещение вызывает появление распространяющейся в пространстве звуковой волны. При этом диффузор должен обеспечивать отсутствие нелинейных искажений, вызываемых изгибными волнами на его поверхности, и максимально линейную амплитудно-частотную характеристику в рабочем диапазоне. Большинство диафрагм в современных низкочастотных динамиках имеют форму конуса (их так и называют — конические). Впрочем, форма обычного конуса с прямолинейной образующей оказалась малоподходящей для производства НЧ динамиков, поскольку такие диффузоры не обладают устойчивостью к появлению изгибных волн. Действительно, для обеспечения необходимого уровня звукового давления на низких частотах требуется, чтобы диффузор претерпевал значительные смещения в пространстве (±10 мм, а иногда и больше). При таких значительных смещениях поверхность диффузора начинает изгибаться, а при повышении частоты края диафрагмы просто не успевают смещаться вслед за перемещением звуковой катушки, вследствие чего рабочая поверхность диффузора ограничивается небольшой центральной областью. Для того чтобы избежать этих двух напастей (сужение эффективной поверхности излучения диффузора и появление изгибных волн на поверхности), производители очень тщательно относятся к разработке формы поверхности излучателя. В частности, используются диффузоры в форме конуса с образующими в виде дуги окружности, а также с другими, еще более сложными конфигурациями. Благо современные методы математического моделирования позволяют достаточно точно рассчитать оптимальную форму излучателя. Главное, чтобы в результате она оказалась не слишком сложной для производства. Многие применяют конусы с переменным сечением стенок (толщина диафрагмы больше в центре и уменьшается к краям), снабжают диафрагмы специальными ребрами жесткости (радиальными или концентрическими) и естественно тщательно подбирают материалы для их производства.
О материалах, кстати, хотелось бы рассказать чуть подробнее. С самого начала при производстве диафрагм динамических головок использовали бумагу со специальными пропитками. Надо сказать, что натуральная длинноволокнистая целлюлоза до сих пор остается одним из самых популярных материалов. Естественно, называть такие диффузоры бумажными сегодня уже не совсем корректно, поскольку в них помимо специальной пропитки, повышающей жесткость, долговечность и влагозащищенность целлюлозной массы, часто применяются различные добавки, такие, как волокна льна, углестекловолокно, графит и даже металл. В общей сложности «бумажный» диффузор громкоговорителя может содержать до 15 различных добавок, призванных улучшить его физические свойства.

      Здесь, кстати, стоит конкретизировать, что мы имеем в виду, когда говорим об улучшении физических свойств диффузора. Под этим улучшением производители, как правило, понимают малый вес и высокую жесткость. Малый вес диафрагмы позволяет ей быстрее реагировать на изменения электрического сигнала в звуковой катушке (чем меньше масса, тем большее ускорение способна получить подвижная система громкоговорителя при одном и том же усилии), и, таким образом, громкоговоритель может воспроизводить более точный, детальный и акцентированный звук. Высокая жесткость диффузора нужна для того, чтобы максимально расширить рабочую поверхность диафрагмы и воспрепятствовать возникновению изгибных волн и собственных резонансов, которые приводят к возникновению паразитных призвуков, нелинейных искажений и окраске звучания акустической системы в целом. Как видите, перед производителями стоит не такая уж легкая задача. Более жесткие бумажные диффузоры обладают значительной толщиной, а, следовательно, и массой. Специальные пропитки и добавки к материалу диффузора также не делают их более легкими. Результатом этого становится вялое, лишенное четких акцентов звучание, примером которого может служить, например, невнятный гул при воспроизведении ударов большого барабана. Легкие, но мягкие диффузоры позволяют добиться достаточно выраженного акцента, но неизбежно приводят к окрашиванию звука при повышении громкости. Искусство производителя здесь заключается в том, чтобы соблюсти разумный компромисс между этими двумя важнейшими характеристиками. Эксперименты с бумажными (или, что правильнее, целлюлозосодержащими диффузорами) продолжаются по сей день, поскольку они позволяют воспроизводить теплые и естественные тембры в широком диапазоне частот и имеют множество поклонников среди любителей Hi-Fi по всему миру.
Естественно, что помимо бумаги используется великое множество других материалов. В частности, весьма широкое распространение получили полиэтиленовые и полипропиленовые диафрагмы громкоговорителей. Некоторые из производителей используют в своих динамических головках сплавы легких металлов (таких, как алюминий, титан, магний). Нельзя не упомянуть и о ставшем очень популярным в последнее время высокотехнологичном материале — кевларе. Кевлар обладает уникальным сочетанием физических свойств — он очень легкий, жесткий и прекрасно гасит изгибные и крутильные колебания на поверхности. Разработанный в рамках аэрокосмической программы NASA, этот замечательный материал привлек внимание конструкторов АС, и благодаря в первую очередь энтузиазму технических специалистов английского «колонкостроительного» гиганта — компании B&W, стал широко применяться для производства диффузоров низко- и среднечастотных динамиков.
Рассказывая о материалах, используемых для изготовления диффузоров, нельзя не упомянуть про японскую компанию JVC. Не так давно эта фирма выпустила линейку акустических систем с деревянными диффузорами динамиков. В качестве материала диафрагм здесь используется тончайший березовый шпон с пропиткой из (внимание!) японской рисовой водки — саке. Мы затрудняемся ответить на вопрос, является ли это сочетание результатом сложных математических выкладок, или же оно появилось случайно… Мы можем только констатировать факт, что такие акустические системы есть, они серийно выпускаются и звучат очень даже неплохо.
Естественно, что одними только диффузорами проблема конструирования качественной подвижной системы динамика не ограничивается. Поскольку диффузор не висит в воздухе, а крепится к «корзине» при помощи специального подвеса, его характеристики также очень важны.
Во-первых, подвес должен быть достаточно гибким для того, чтобы оказывать минимальное сопротивление при перемещении диффузора. Слишком жесткий подвес увеличивает упругость колебательной системы динамической головки и снижает точность и акцентированность звуковоспроизведения. Помимо этого подвес должен обеспечивать только поступательное движение диффузора, т. е. должен препятствовать возникновению крутильных и изгибных колебаний даже при максимальном смещении диафрагмы относительно точки равновесия. Помимо прочего не следует забывать, что акустические системы люди покупают себе надолго, поэтому материал подвеса должен быть очень долговечным и точно сохранять свои физические свойства в течение длительного времени в разных климатических условиях. С точки зрения формы подвеса наибольшее распространение имеют профили полутора и синусоиды. В качестве материалов для изготовления подвесов, как правило, используются различные виды эластичных материалов — резина, пенополиуретан, прорезиненные натуральные и синтетические ткани.
Еще одной частью подвижной системы динамика является так называемый пылезащитный колпачок. Расположенный в самом центре диафрагмы, он закрывает магнитный зазор динамической головки от попадания туда пыли, грязи и т. д. С учетом того, что магнитный зазор должен быть настолько малым, насколько это только возможно, попадание в него посторонних частиц может привести к самым нежелательным последствиям, вплоть до заклинивания звуковой катушки. Поскольку пылезащитный колпачок расположен на излучающей поверхности диафрагмы, причем в самой ответственной ее части — в центре, он вносит свой вклад в формируемую звуковую волну, и, следовательно, его форма должна быть точно рассчитана. Пылезащитные колпачки часто заменяют акустически непрозрачной тканью, которая закрывает центральное отверстие диффузора. Жесткие пылезащитные колпачки имеют обычно куполообразную форму, а для их изготовления применяются синтетические материалы. В мощных акустических системах иногда применяют массивные металлические пылезащитные колпачки, которые позволяют улучшить отвод тепла от соединенной с ним звуковой катушки. Такое решение позволяет улучшить температурную стабильность магнитной системы динамической головки, расширяя диапазон динамической стабильности громкоговорителя.

Звуковая катушка

      Звуковые катушки современных динамиков являются достаточно технологичными изделиями, хотя на первый взгляд ничего сложного в них нет. Однако это только на первый взгляд. Начав разбираться, понимаешь, что все не так просто, как хотелось бы.
Во-первых, звуковая катушка должна иметь высокие характеристики температурной стабильности. Это особенно важно в мощных системах, где при звуковоспроизведении выделяется большое количество тепла. Нагревание может привести к механическому разрушению катушки, поэтому при их производстве применяются специальные термостойкие клеи и лаки. Кроме того, нагрев, как известно из школьного курса физики, изменяет электрическое сопротивление провода, которым намотана катушка. Изменение сопротивления естественно приводит к нарушению рассчитанных для магнитной системы параметров, что воспринимается на слух как искажения в воспроизводимом звуке. Для того чтобы снизить нагрев звуковых катушек применяют, как мы уже упоминали, специальные массивные металлические пылезащитные колпачки, а также делают вентилируемые каркасы, в которых для улучшения теплоотвода сверлят специальные отверстия. Еще одним способом охлаждения служит заполнение магнитного зазора специальной ферромагнитной жидкостью, но об этом мы расскажем чуть позже, в пункте, посвященном магнитной системе.
Звуковые катушки наматываются проводом круглого или прямоугольного сечения. Количество слоев намотки, как правило, 2 или 4. Прямоугольное сечение провода в принципе более предпочтительно, поскольку позволяет сделать намотку максимально плотной, а, следовательно, увеличить эффективность взаимодействия катушки с постоянным магнитом. Однако же с увеличением плотности намотки ухудшается охлаждение звуковой катушки, а, следовательно, нарушается температурная стабильность. В результате производители вынуждены искать компромисс, подбирая оптимальное сочетание параметров. Вообще, говоря отвлеченно от технических деталей, нужно признать, что производство высококачественных акустических систем — это постоянный поиск компромисса между соблюдением ряда взаимоисключающих условий. Некоторые из них мы уже упомянули, а некоторые будут упомянуты в дальнейшем. Искусство разработчика заключается в поиске оптимального решения этой сложнейшей задачи с рядом переменных, влияющих друг на друга. Однако вернемся к звуковым катушкам. Естественно, что их температурную стабильность можно увеличить, используя для намотки провод большего сечения, а, следовательно, и с лучшей теплоотдачей. Впрочем, такое решение подходит только для мощных акустических систем, поскольку неизбежно увеличит общую массу подвижной системы, что, как мы уже говорили, крайне негативно сказывается на характеристиках воспроизводимого звука.
Помимо температурной стабильности звуковой катушки производители динамиков стремятся также соблюсти пространственную однородность магнитного поля в зазоре. Дело в том, что при больших амплитудах перемещения диффузора катушка может частично выходить из магнитного зазора в продольном направлении, попадая при этом в область нестабильного магнитного поля. Для предотвращения этого многие производители стремятся сделать катушку максимально короткой, а зазор максимально длинным (естественно, при сохранении минимально возможной толщины).

Магнитная система

      Магнитная система динамической головки призвана создавать постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с переменным полем, создаваемым током, проходящим через звуковую катушку. В большинстве современных динамических головок применяются кольцевые магниты, имеющие форму тора. Естественно, что для увеличения эффективности работы электродинамического преобразователя необходимо, чтобы магнитная система создавала максимально возможную напряженность магнитного поля в зазоре. Для этого разрабатываются высокоэффективные магнитные материалы (в частности в последнее время получили широкое распространение магниты на основе сплава неодим-железо-бор). Как мы уже говорили, для того, чтобы сохранить линейные частотные характеристики в широком диапазоне подводимой мощности, катушки необходимо хорошо охлаждать. Вместе с тем увеличение воздушного зазора между катушкой и магнитной системой нежелательно, поскольку это снижает эффективность их взаимодействия. Для решения этой проблемы магнитный зазор иногда заполняют специа
ьной ферромагнитной жидкостью, которая представляет собой вязкую суспензию с помещенными в нее магнитными частицами. Ферромагнитная жидкость обладает существенно большей теплоемкостью по сравнению с воздухом и, следовательно, позволяет гораздо эффективнее охлаждать звуковую катушку.
Не стоит забывать и о том, что в современных системах домашнего кинотеатра акустические системы зачастую работают в непосредственной близости от экрана телевизора. Магнитное поле динамика может вызывать искажения на экране. Для того чтобы избежать этого отвратительного явления, акустические системы центрального канала (как расположенные ближе всего к телевизору), а зачастую и все остальные громкоговорители, включая сабвуфер, снабжают магнитным экранированием, т. е. помещают магнитную систему в специальную «колбу», изготовленную из экранирующего материала, либо же включают в систему дополнительный магнит обратной полярности, который гасит магнитное поле основного магнита.

Диффузородержатель

      Диффузородержатель, как следует из названия, представляет собой конструкцию, несущую всю систему динамической головки. За характерный внешний вид диффузородержатели получили также и другое название — корзина. К широкой части корзины при помощи подвеса крепится подвижная часть драйвера, а к узкой — магнитная система. Естественно, корзина динамика должна вносить минимальный вклад в воспроизведение звука, поэтому ее конструкция должна быть жесткой и эффективно гасить возникающие резонансы. Кроме того, ребра жесткости диффузородержателя должны быть максимально тонкими, чтобы свести к минимуму отраженную от них звуковую волну. При несоблюдении этого условия отраженная волна будет оказывать существенное влияние на работу динамической головки, увеличивая общую упругость системы и, следовательно, снижая эффективность электродинамического преобразователя.

Центрирующая шайба

      Последним из упомянутых нами в начале статьи элементом динамика является центрирующая шайба. Основной функцией центрирующей шайбы является четкое позиционирование звуковой катушки в зазоре. Она должна обеспечить строго поступательное движение катушки, поскольку малейший перекос может привести к ее заклиниванию в магнитном зазоре. Центрирующая шайба должна обладать линейными характеристиками упругости во всем диапазоне смещения диффузора и, как правило, представляет собой гофрированную поверхность, имеющую синусоидальный профиль.

Среднечастотные динамики

      Все, о чем мы говорили до сих пор, справедливо в первую очередь для динамиков, предназначенных для воспроизведения низких частот. Впрочем, основные элементы конструкции СЧ и ВЧ динамиков точно такие же. Разница заключается в конструктивном исполнении.
Разработка и конструирование среднечастотных динамиков является, наверное, одной из важнейших задач при производстве акустической системы. Во-первых, именно на область средних частот приходится большая часть воспроизводимого звука. Во-вторых, человеческий слух обладает наибольшей чувствительностью именно в среднечастотном диапазоне. Наконец, нельзя не отметить, что именно к среднему частотному диапазону относится человеческий голос (по крайней мере большая часть из его тембров). Последнее обстоятельство крайне важно учитывать, ведь человек слышит голос в реальной жизни постоянно, и наш мозг прекрасно научился анализировать все мельчайшие нюансы его звучания. Малейшее несоответствие, и человек, даже не считающий себя профессиональным ценителем классной аудиотехники, почувствует фальшь, а, следовательно, удовольствие от прослушивания будет испорчено.
Конструкция СЧ динамиков в целом аналогична низкочастотникам, за исключением того, что они, как правило, имеют меньшие геометрические размеры диафрагмы (это позволяет расширить диаграмму направленности в верхней части воспроизводимого диапазона). Большинство среднечастотников имеют конусообразную диафрагму, хотя иногда применяются и купольные динамики (как правило, для озвучивания верхней части среднечастотного диапазона), которые имеют более широкую характеристику направленности в области высоких частот и могут иметь как жесткие диафрагмы, изготовленные из алюминиевой бериллиевой или титановой фольги, так и мягкие, выполненные из шелка, целлюлозы, полипропилена и т. д.

Высокочастотные динамики

В последнее время с появлением и успешным развитием цифровых форматов записи звука требования, предъявляемые потребителями, а, следовательно, и производителями, к высокочастотным динамикам существенно возросли. Мы связываем это в первую очередь именно с развитием цифровых технологий, поскольку раньше, когда были распространены только записи на магнитной ленте, частотный диапазон фонограмм был ограничен сверху значениями 12—15 кГц. Выше не помогали никакие, даже самые продвинутые системы (включая пресловутую систему динамического подмагничивания HX Pro фирмы Dolby). Сейчас ситуация кардинально изменилась. Обычный компакт-диск без проблем обеспечивает звуковой сигнал в диапазоне 20—20 000 Гц, а если вспомнить про современные форматы высокого разрешения SACD и DVD-Audio, то и гораздо выше.
При изготовлении ВЧ-динамиков (твитеров) в подавляющем большинстве случаев используются купольные мембраны. В этом нет ничего удивительного, поскольку куполообразная форма обеспечивает более широкую диаграмму направленности по сравнению с конусом. Впрочем, на самых высоких частотах характеристика направленности в любом случае представляла бы собой узкий луч, если бы ее не расширяли искусственно при помощи звуковых рассекателей, устанавливаемых перед твитером, либо специального оформления высокочастотника в виде акустической линзы.
Несмотря на разительные внешние отличия, конструкция твитера во многом совпадает с низко- и среднечастотниками. Следует отметить, что подвес диффузора в них выполняется из того же материала, что и сам диффузор. Кроме того, в высокочастотниках отсутствует центрирующая шайба. Вследствие малых амплитуд колебаний подвижной системы такое решение представляется вполне оправданным.
Диафрагмы твитеров можно условно разделить на два класса — мягкие и жесткие. Жесткие купола изготавливаются обычно из фольги «крылатых» металлов (алюминий, титан и пр.). Мягкие же диафрагмы могут быть выполнены из ткани (как правило, шелка) со специальной пропиткой полипропилена и т. д. Интересно, что для придания мягким купольным твитерам необходимых физических свойств многие производители идут на крайне дорогостоящую процедуру осаждения из паровой фазы на его поверхность частиц бора, бериллия, золота и даже алмаза.

АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

Итак, теперь мы более или менее представляем себе устройство динамических головок громкоговорителей и, понимаем, на какие ухищрения приходится идти производителям для того, чтобы повысить качество звуковоспроизведения, а, следовательно, доставить нам с вами максимум удовольствия от прослушивания. Однако, взяв отдельный динамик (пускай даже самого высокого качества) и подключив его к усилителю, мы обнаружим, что его звучание ужасно! В нем абсолютно отсутствуют привычные нам тембры и низкочастотные составляющие. Объяснение этого вопиющего факта заключается в том, что динамическая головка излучает не только вперед, но и назад. Если перед диффузором при его колебательном движении образуется зона сжатия воздуха, то позади него обязательно возникнет зона разрежения, и наоборот. При достаточно высоких частотах (т. е. при длинах звуковой волны существенно меньших геометрических размеров диффузора) звуковая волна не успевает обогнуть диафрагму за один период колебания, и ничего плохого со звуком не происходит. Однако при уменьшении частоты длина волны становится сравнима с диаметром диффузора и прямая и обратная волна, суммируясь, гасят друг друга (для диффузора диаметром 20 см частота, на которой начинает происходить это явление, составляет порядка 1 кГц). Данный эффект называется акустическим коротким замыканием и для настоящего аудиофила имеет последствия не менее катастрофические, чем короткое замыкание в домашней электросети. К счастью, данная проблема имеет достаточно простое решение, а именно, необходимо физически изолировать переднюю и заднюю поверхности диффузора. Для этого динамическую головку можно, к примеру, закрепить в стенке ящика, что собственно и делается в традиционных акустических системах. Этот «ящик», или если следовать правильной терминологии, «корпус» громкоговорителя принято называть акустическим оформлением. Простейшим видом акустического оформления является герметично закрытый корпус акустической системы. Этот вид так и называется «закрытый корпус». Такая система отличается простотой конструкции и отменными переходными характеристиками (хорошей атакой и четкими акцентами), которые обусловлены высокой упругостью колебательной системы диффузор — внутренний объем корпуса. При всех своих преимуществах подобное акустическое оформление имеет и ряд недостатков. Одним из них является снижение эффективности работы громкоговорителя. Надо сказать, что электродинамический преобразователь и так крайне малоэффективное устройство (в лучшем случае в звуковую мощность удается преобразовать лишь около 3 % подводимой электрической мощности — остальное превращается в тепло). В закрытом же корпусе эта эффективность еще ниже, поскольку энергия, излучаемая обратной стороной диффузора, просто теряется. Кроме того динамик, помещенный в закрытый корпус, представляет собой колебательную систему с достаточно высокой резонансной частотой. При воспроизведении звука ниже этой частоты уровень звукового давления резко падает. Естественно, что значение резонансной частоты громкоговорителя сильно зависит от внутреннего объема его корпуса, но для озвучивания низкочастотной области этот объем должен быть очень большим, что неприемлемо для большинства людей в силу эстетических соображений. Другая возможность добиться воспроизведения глубокого баса от закрытых акустических систем заключается в существенном усилении уровня низкочастотного сигнала по сравнению со средне- и высокочастотной составляющими. В традиционных стерео и кинотеатральных комплектах выполнение данного условия практически невозможно, а вот в активных акустических системах (т. е. громкоговорителях с собственными встроенными усилителями) вполне может быть реализовано. В частности, по такому принципу работают активные полочные акустические системы марки ATC — одни из лучших полочных мониторов, которые нам когда-нибудь доводилось слышать. В более массовых акустических системах (да и не только в массовых, если уж быть до конца честными) производители вынуждены искать способ снижения нижней резонансной частоты громкоговорителя и увеличения его эффективности. Такое решение было найдено давно — еще в 30-е годы прошлого столетия, и имя ему фазоинвертор. Про фазоинверторное акустическое оформление в специализированной прессе сказано очень много — хорошего и плохого, по делу и не совсем. Мы не будем вдаваться в детали (в конце концов, для этого в нашем журнале регулярно публикуются масштабные тесты акустических систем), а просто констатируем факты. Во-первых, фазоинвертор позволяет реально повысить отдачу громкоговорителя в области низких частот. Во-вторых, более 90 % акустических систем, ориентированных на домашнее (не профессиональное) применение, имеют акустическое оформление типа «фазоинвертор», и не считаться с этим обстоятельством было бы по меньшей мере глупо. Итак, что же представляет собой фазоинвертор? А представляет он собой обычное отверстие (порт), соединяющий внутренний объем корпуса громкоговорителя с внешним миром. В этот порт обычно вставляют кусок трубы, который позволяет увеличить объем воздуха, участвующего в процессе инвертирования фазы звуковой волны. Фазоинвертор является, по сути, простейшим акустическим резонатором, т. е. представляет собой колебательную систему с упругим элементом, роль которого играет воздух в трубе. На определенных частотах в этой колебательной системе появляется резонанс, причем параметры фазоинвертора рассчитываются таким образом, чтобы резонансная звуковая волна излучалась в той же фазе, что и прямая волна, излучаемая диффузором. Иными словами, это нехитрое устройство производит инверсию (обращение) звуковой волны, которая излучается тыльной стороной диффузора. Фазоинвертор позволяет снизить значение нижней граничной частоты громкоговорителя и усилить звуковое давление на низких частотах за счет суммирования прямой волны, излучаемой фронтальной поверхностью диффузора и обратной волны, «обращенной» фазоинвертором.

Достоинства фазоинверторных акустических систем следуют из приведенных выше рассуждений. При одинаковых размерах они способны воспроизводить гораздо более низкие частоты по сравнению с АС в закрытом корпусе. К недостаткам фазоинверторных конструкций можно отнести ухудшение переходных характеристик в области частот, на которые настроен фазоинвертор. Поскольку фазоинвертор является акустическим резонатором, то контролировать излучаемый им звук достаточно трудно. На слух это воспринимается как ухудшение детальности, т. е. более размытое звучание низких частот. Еще одним минусом фазоинверторных конструкций являются нелинейные звуковые искажения, вызванные турбулентными завихрениями воздуха, «выдуваемого» из порта. Для того, чтобы минимизировать этот эффект, производители придают выходным раструбам специальную форму, а также наносят на их поверхность специальные канавки, препятствующие возникновению воздушных завихрений. Частным случаем фазоинверторного акустического оформления можно считать громкоговорители с пассивным излучателем (такие конструкции, к примеру, очень любит американская компания Boston Acoustics). Вместо того чтобы вставлять в порт фазоинвертора трубу, он просто закрывается еще одним излучателем, аналогичным основному низкочастотнику, но лишенным звуковой катушки и магнитной системы. Настройка резонансной частоты такой конструкции осуществляется производителем путем изменения массы пассивного излучателя. Как правило, в акустических системах используется один порт фазоинвертора, но в отдельных моделях применяются двух- и даже трехпортовые конструкции. В зависимости от конструкции порт фазоинвертора выводится на переднюю или на заднюю панель громкоговорителя. В отдельных случаях порт фазоинвертора направлен вниз — в этом случае производитель предусматривает специальную подставку, обеспечивающую необходимый воздушный зазор между корпусом АС и полом.

РАСПОЛОЖЕНИЕ ДИНАМИКОВ НА КОРПУСЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ

      Мы уже имели возможность убедиться, что динамические головки, предназначенные для воспроизведения низких, средних и высоких частот, имеют ряд конструктивных отличий. Эти отличия не позволяют (по крайней мере за приемлемые деньги) изготовить электродинамический преобразователь, способный качественно воспроизводить звук во всем слышимом частотном диапазоне. В связи с этим в конструкции акустических систем применяется несколько динамиков, каждый из которых отвечает за свою область воспроизводимых частот. Для того чтобы оградить динамики от сигналов с частотой, на воспроизведение которой они не рассчитаны, а также скорректировать фазовые сдвиги между ними, в конструкции акустических систем применяют разделительные фильтры. Впрочем, подробно останавливаться на их конструкции в данном материале мы не будем.

Акустические системы с фронтальным расположением динамиков

      Традиционным считается расположение динамиков в ряд на фронтальной панели акустической системы. На первый взгляд это решение представляется самым очевидным. Казалось бы, где же еще располагаться динамикам, как не на панели, направленной к слушателю? Все правильно, но не совсем. Впрочем, об этом чуть ниже…
Итак, что же происходит с характеристиками направленности звука, излучаемого акустической системой, с традиционным фронтальным расположением динамиков. На самом деле однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку на разных частотах направленность такой акустической системы тоже будет различной.
На низких частотах длина звуковой волны существенно превышает размеры динамиков, как, впрочем, и корпуса акустической системы. В связи с этим звук колонки с фронтальным расположением диффузоров на низких частотах будет очень слабо направленным. Диаграмма направленности является практически круговой. Кстати, именно с этим обстоятельством связано то, что сабвуфер в кинотеатральной системе можно помещать практически в любой точке комнаты прослушивания. Частоты, на которых он работает, не дают остро выраженной диаграммы направленности, и локализовать их источник на слух невозможно.
С увеличением частоты длина звуковой волны уменьшается, и диаграмма направленности вытягивается во фронтальном направлении. На высоких частотах звук можно считать остро направленным во фронтальном направлении (тонкими эффектами, такими, как боковые лепестки диаграммы направленности, а также дифракционные явления мы, в наших рассуждениях пренебрегаем), причем чем выше частота, тем более острую направленность имеет звучание.
При воспроизведении звука повышенная направленность акустических систем имеет определенные преимущества. В частности, она позволяет существенно повысить пространственное разрешение виртуальных звуковых источников, позволяет минимизировать отражения от стен комнаты прослушивания, т. е. делает звуковые образы более четкими, позволяя провести их точную локализацию в трехмерном пространстве. Все это, конечно, очень здорово в теории, но на практике далеко не так волшебно. Во-первых, качественную звуковую картину сможет получить только слушатель, сидящий строго в одной из вершин пресловутого стереотреугольника (речь идет о 2-канальном воспроизведении), т. е. на пересечении акустических осей громкоговорителей. При минимальном отклонении от этой точки звуковая картина будет серьезно нарушена. Естественно, что о прослушивании музыки или просмотре кинофильма в компании речь уже не идет.
Вот почему производители стараются различными методами расширить диаграмму направленности на высоких частотах. Для этих целей могут применяться специальные акустические рассекатели, устанавливаемые перед ВЧ-динамиком, либо специально разработанные оформления твитера в виде рупора или же звукового волновода. Данные ухищрения позволяют стабилизировать направленность на высоких частотах и управлять ее шириной в соответствии с пожеланиями производителей.
Не стоит забывать и о том, что динамики акустической системы, расположенные в ряд на ее фронтальной панели, представляют собой некое подобие антенной решетки, которая также имеет определенные характеристики направленности излучения. Если мы говорим о традиционных громкоговорителях, где динамики расположены в ряд один над другим, то такой громкоговоритель имеет выраженную характеристику направленности по вертикали, но при этом слабо направлен по горизонтали. Это, кстати, как нельзя лучше укладывается в требования THX к акустическим системам в домашнем кинотеатре, в соответствии с которым громкоговорители должны иметь строгую направленность в вертикальном направлении, чтобы минимизировать влияние звуковых отражений от пола и потолка и при этом иметь широкую дисперсию по горизонтали. Однако в домашнем кинотеатре, как вы знаете, необходима акустическая система центрального канала, которую большинство производителей предпочитает делать горизонтальной. Это существенно упрощает инсталляцию колонки (обычно под или над телевизором), но приводит к нежелательному результату с точки зрения акустики. Динамики такой колонки, расположенные в ряд горизонтально, излучают звук, слабо направленный по вертикали, но с выраженной характеристикой направленности по горизонтали. С точки зрения THX подобное поведение абсолютно недопустимо, поэтому центральный канал по версии лаборатории Джорджа Лукаса должен быть вертикальным, таким же, как и фронтальная стереопара. Если быть более точным, то в соответствии с этими требованиями все 5 акустических систем в домашнем кинотеатре должны быть одинаковыми, но это уже тема совершенно другой статьи.
К счастью, вертикальное расположение корпуса АС — не единственная возможность стабилизировать диаграмму направленности центрального канала. Здесь на помощь могут прийти все те же рупоры и звуковые волноводы, а также специальное расположение динамиков (многие производители выносят ВЧ динамик в отдельный корпус, который размещается в верхней части горизонтальной АС центрального канала).

Коаксиальные излучатели

      Другой возможностью стабилизировать диаграмму направленности является конструирование так называемых коаксиальных звуковых излучателей, т. е. динамиков, в которых вуфер и твитер расположены на одной оси и звук излучается практически из одной точки. Несмотря на явные преимущества подобной схемы, акустических систем, в которых бы она применялась, не так много, и связано это в первую очередь с трудностями реализации коаксиальной электродинамической головки. Наибольших успехов в их производстве добились английские компании Tannoy и KEF, причем именно KEF наиболее активно популяризирует принцип коаксиального звукового излучателя, который имеет фирменное название UniQ. Модуль UniQ на сегодняшний день используется практически во всех акустических системах, выпускаемых компанией, за исключением бюджетных линеек. Уникальность его конструкции заключается в том, что коаксиальные средне- и высокочастотник собраны на одной магнитной системе, при этом диффузор вуфера выполняет роль акустического рупора для расположенного в его центре твитера. Согласитесь, идея очень оригинальная и, как показали многочисленные тесты, проводившиеся экспертами нашего журнала, работоспособная. В частности, акустические системы KEF, оснащенные модулем UniQ, обладают исключительными пространственными характеристиками воспроизводимого звука. Помимо улучшения характеристики направленности коаксиальное размещение динамиков дает еще одно преимущество, позволяет избежать фазовой задержки между сигналами, излучаемыми разными динамиками. Эта задержка происходит из-за того, что динамики расположены на разной высоте, а, следовательно, звуковые волны, излучаемые ими, преодолевают разные расстояния на пути к точке прослушивания. Кстати, некоторые компании специально изготавливают фронтальные панели акустических систем наклонными. Это позволяет минимизировать разницу расстояний между различными динамиками и точкой прослушивания.

Биполярные АС

      Биполярные громкоговорители представляют собой «сдвоенные» акустические системы, в которых имеется 2 комплекта динамиков, расположенных на фронтальной и тыловой панелях и воспроизводящих звук в одной фазе. Подобное расположение динамиков позволяет получить практически круговую диаграмму направленности на низких и средних частотах. Характеристика направленности биполярных АС на высоких частотах имеет форму восьмерки.
Таким образом, биполярные АС позволяют воспроизводить практически ненаправленное, так называемое диффузное звучание, которое при определенных условиях неплохо подходит, например, при озвучивании тыловых каналов в домашнем кинотеатре. В частности, при невозможности выделить под домашний кинозал акустически обработанную комнату больших размеров, ненаправленный звук тыловых биполярных АС можно признать оптимальным, поскольку он обладает меньшей привязкой к акустическим системам и меньше подвержен вредному влиянию отражений от стен и потолка. Эти отражения распределяются равномерно по различным направлениям распространения звука и выражены не очень явно.

Дипольные АС

      Дипольными акустическими системами называются такие громкоговорители, которые имеют излучатели на фронтальной и тыловой панелях, но работают они при этом в противофазе. К дипольным АС относятся плоские панели, электростатические и электромагнитные АС, а также специально сконструированные электродинамические колонки. Диаграмма направленности дипольных громкоговорителей, как на низких и средних, так и на высоких частотах, имеет форму восьмерки. Эти акустические системы эффективно излучают звук во фронтальном и тыловом направлении. По бокам же прямая и обратная волны гасят друг друга, и звук практически отсутствует.

Дипольные громкоговорители хорошо подходят для применения в небольших помещениях или при установке в непосредственной близости от стен. Поскольку их звук практически не распространяется в боковом направлении, то такая конструкция позволяет свести к минимуму отражения от боковых стен комнаты прослушивания.
Очень необычную конструкцию дипольной акустической системы предложила знаменитая датская компания JAMO, в своей новейшей разработке — акустической системе JAMO Reference 909. Проведя серию весьма логичных рассуждений, специалисты компании пришли к выводу, что одним из основных препятствий на пути к качественному звуку является корпус громкоговорителя, который обладает собственной резонансной частотой, а также склонен к появлению вибраций, негативно сказывающихся на параметрах звуковоспроизведения. В результате этих рассуждений на свет появилась колонка, в которой производители обошлись вообще без корпуса. Как следует из наших предыдущих рассуждений, у акустической системы без корпуса должны непременно возникнуть проблемы с воспроизведением низких частот, поскольку на них будет происходить акустическое короткое замыкание. Для того чтобы воспроизводить бас, несмотря на это неприятное явление, конструкторы R909 применили два гигантских низкочастотника диаметром 380 мм каждый, которые обладают большими ходами диффузора и способны перемещать весьма значительные воздушные массы. Кроме того, динамик должен обладать очень высокой чувствительностью, и это требование также было выполнено. В результате конструкторам JAMO R909 удалось добиться качественного и точного воспроизведения баса в акустике открытого типа, отказавшись при этом от «вредоносного» с их точки зрения корпуса и получив все преимущества дипольной акустической системы, одним из которых является отсутствие звукового излучения в боковом направлении. Это позволяет свести к минимуму отражения от боковых стен, а, следовательно, нарисовать более четкую и сфокусированную звуковую картину.

Омниполярные АС

Помимо перечисленных выше типов акустических систем с диаграммами направленности той или иной формы на рынке аудиотехники присутствуют громкоговорители, которые имеют совершенно ненаправленное звучание, т. е. круговую диаграмму направленности на всех частотах. Например, компания MIRAGE является поклонницей так называемых омниполярных громкоговорителей, в которых применяются динамики с вертикальной акустической осью. На оси динамиков устанавливаются специальные симметричные акустические рассекатели, поэтому звуковая волна, отражаясь от них, равномерно распространяется по кругу в горизонтальной плоскости. Другой интересный тип акустических систем с круговой диаграммой направленности — это так называемые контрапертурные громкоговорители, о которых мы расскажем чуть подробнее. Вообще говоря, контрапертурный принцип построения акустических систем был разработан в России. Были изготовлены даже несколько «ходовых» образцов, которые можно было увидеть на «камерных» выставках типа «Российского хай-енда» и более массовом «Hi-Fi Show». Однако серьезное развитие контрапертурный принцип получил только сейчас, когда за их выпуск принялась итальянская компания Bolzano Villetri. Итак, в чем же заключается основная идея этих необычных громкоговорителей? Суть ее такова: два одинаковых СЧ/НЧ динамика, помещенные каждый в своем корпусе, располагаются так, чтобы излучающие поверхности их диффузоров смотрели друг на друга. Акустическая ось динамиков при этом вертикальна. На каждый из двух громкоговорителей подается один и тот же звуковой сигнал, который заставляет их совершать колебания, причем эти колебания происходят в фазе. Излучаемые динамиками звуковые волны встречаются в пространстве между ними и вызывают симметричную деформацию воздушного столба, которая приводит к абсолютно ненаправленному в горизонтальной плоскости излучению звука. В качестве аналогии здесь можно привести камень, брошенный в воду и расходящиеся от него круги. Если посмотреть на картину распространения звука контрапертурных АС в горизонтальной плоскости, то она будет точно такая же. Помимо низких и средних частот акустические системы должны воспроизводить высокие, и именно с их направленностью, как мы уже говорили, связаны наибольшие конструктивные трудности. В данном случае разработчики предложили достаточно простое, но оригинальное решение. Два одинаковых твитера помещаются в пространстве между контрапертурными СЧ/НЧ динамиками, причем их излучающие поверхности направлены уже противоположно. Таким образом, диффузоры низкочастотных громкоговорителей, имеющие коническую форму, выполняют роль акустических рассекателей для твитеров, и излучаемые высокие частоты также имеют круговую диаграмму направленности.      Что получает слушатель от применения контрапертурных акустических систем?  Во-первых, их звук, являясь ненаправленным, имеет одинаковые частотные характеристики для любого направления распространения. Это значит, что для качественного прослушивания нет необходимости усаживаться строго на пересечении звуковых осей громкоговорителей. В любой точке комнаты характеристики звука будут одинаковыми. Во-вторых, не стоит забывать про отражения от стен помещения. При применении традиционных акустических систем мы имеем следующую ситуацию: звук, излучаемый громкоговорителем, имеет хорошую частотную характеристику во фронтальном направлении и гораздо более проблемную под углом к акустической оси (это связано с тем, что высокие частоты распространяются в основном во фронтальном направлении, а при отклонении от него в звучании начинают преобладать низкочастотные составляющие).  Поскольку боковые стены помещения отражают именно этот «проблемный» звук, то результирующая звуковая картина в месте прослушивания будет складываться из «хорошего» прямого звука и «плохого», обедненного на верхах, отраженного. Без специальной акустической обработки помещения результат может вполне заставить разочароваться в качестве даже самых высококлассных АС. В контрапертурных «одинаково направленных» АС звук, пришедший к слушателю напрямую и отраженный от стен, имеет более близкие характеристики, поскольку в данном случае на формирование АЧХ отраженной волны оказывает влияние только частотная характеристика поглощения боковых стен.

      В данный момент сложно указать на какие-либо специфические особенности звучания контрапертурных АС Bolzano Villetri. Мы обязательно остановимся более подробно на этих необычных колонках в ближайших тестах нашего издания. Предварительные прослушивания этой акустики продемонстрировали очень комфортное и естественное, хотя и немного непривычное звучание.

      Итак, мы рассмотрели наиболее распространенные типы направленности акустических систем. На вопрос, какой из этих типов подойдет именно вам, мы не можем дать однозначный ответ. С точки зрения пространственной достоверности воспроизведения, вероятно, выигрывают традиционные акустические системы с фронтальными динамиками, а также дипольные громкоговорители. Они позволяют наиболее точно передавать пространственные эффекты, заложенные в фонограмму звукорежиссером, не привнося в нее ничего от себя. Стоит, однако, отметить, что все это справедливо только для специально оборудованных и подготовленных помещений прослушивания. В обычной жилой комнате результат спрогнозировать сложно. Биполярные акустические системы хорошо подходят в качестве тыловых каналов в домашнем кинотеатре в небольшом или неподготовленном помещении. Они имеют более равномерную направленность и создают позади слушателя распределенную звуковую картину. Иногда это то, чего не хватает для получения максимального эффекта присутствия, т. е. того, ради чего мы и покупаем многоканальные звуковые системы. Контрапертурная акустика с круговой диаграммой направленности создает равномерное и комфортное звучание. Она в меньшей, чем другие типы АС, степени зависит от акустических характеристик комнаты прослушивания.

      Как бы то ни было, мы не ставили перед собой задачи дать в этой статье «рецепты» правильного звучания. Мы просто надеемся, что она поможет вам правильно формулировать вопросы и четко ставить цели, которых вы хотите добиться при построении домашней аудиосистемы. Дальше, что называется, дело техники. Удачи!

Страница подготовлена по материалам сайта http://www.shop.danceguitar.ru/

НЕ НАШЕЛ, ЧТО ИСКАЛ? ПОГУГЛИ:

СТРОКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ПОИСКА