: архив : архив журнала "625" : 1998 : #3

• Оглавление обзора • Акустические системы • Алиса в стране Hi-End, или   Поиск иллюзий • Студийные мониторы Alesis  • Dynaudio Acoustics: акустика   для баров и Led Zeppelin • Акустика Generalmusic • Event Electronics • Акустика Fostex • Мониторы Genelec • Hafler Transonova TRM8 • JBL: ИДЕИ ЖИВЫ • Mackie HR824 • Meyer Sound Laboratories:   ассортимент на все случаи   жизни • Попробуйте SM 6500 • Акустика Tannoy • Достоинства как продолжение   недостатков • Контрапертурный принцип:   суть, отличия, свойства

Акустические системы
Анатолий Вейценфельд

В предыдущем обзоре профессиональной звуковой техники, посвященном микрофонам ("625", №9), отмечался своеобразный консерватизм этих приборов, которые мало затрагивают технологические новации.

Предмет сегодняшнего обзора - акустические системы - также на удивление консервативен. За последние десятилетия промелькнули весьма экстравагантные способы генерирования акустических колебаний, вплоть до плазменно-ионизационного разряда. А традиционные динамики по-прежнему доминируют во всех сферах звуковой техники, и достойной смены им по-прежнему не видно.

В данном обзоре не стоит цель анализа научных экспериментов в области генерации звуковых колебаний. Будут рассмотрены принципы звукообразования и техника, базирующаяся на электродинамическом способе возбуждения звуковых колебаний.

Принципиально устройство динамического громкоговорителя по существу не менялось с 20-30-х годов. Несмотря на известность конструкции динамического громкоговорителя, коротко напомним о ней. Катушка из нескольких десятков витков тонкого провода помещена внутрь магнитной системы, состоящей из кольцевого магнита и магнитного керна. В кольцевой щели между керном и магнитом находится катушка, на которую воздействует постоянное магнитное поле. При подведении переменного электрического напряжения звуковой частоты к концам катушки вокруг нее возникает переменное магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитным полем. В результате этого взаимодействия возникает электродвижущая сила, заставляющая катушку совершать продольные механические перемещения внутри зазора с частотой, соответствующей частоте подводимого к катушке напряжения, и с размахом (амплитудой), соответствующим величине напряжения. Присоединенный к катушке легкий картонный, синтетический или металлический диффузор колеблется вместе с катушкой, создавая в прилегающей воздушной среде разрежения и уплотнения, т.е. звук.

Катушка не "ползает" по магниту, она подвешена внутри зазора так, чтобы не задевать никаких поверхностей. Это достигается за счет особоточного крепления ("центровки") диффузора к кольцевому диффузородержателю. Края диффузора имеют либо несколько гофрированных колец, либо резиновый подвес для увеличения хода диффузора и соответственно акустического давления. Тем не менее, всему есть предел, и при подведении к катушке чрезмерного напряжения она начинает задевать твердые поверхности, что, во-первых, вызывает искажения, и, во-вторых, неизбежно приводит к повреждению динамика. Об ограничении подводимой мощности и других технических параметрах будет сказано ниже.

Таким образом, громкоговоритель является электромеханической системой, со свойственными этому типу устройств достоинствами и недостатками.

Традиционный диффузорный громкоговоритель используется как низкочастотный, среднечастотный и широкополосный. (Неплохо показала себя диффузорная конструкция и в высокочастотных громкоговорителях, но здесь с ней конкурируют другие типы конструкций).

Помимо диффузорного динамического громкоговорителя, находит применение рупорный, в котором соединенная с катушкой сферическая диафрагма излучает звук внутрь рупора. В связи с большой частотной неравномерностью и малым КПД рупорных динамиков эта конструкция используется только в высокочастотных громкоговорителях. В них также встречается еще одна разновидность динамиков - мембранно-купольная, или в просторечии "пуля".

Как ясно из описания конструкции, наиболее распространенный диффузорный динамик является по существу поршневой системой, в которой поршнем служит конусный диффузор, а рычагом - катушка. Однако любая поршневая система обладает инерционностью, связанной как с преодолением сопротивления воздушной среды, так и с собственным весом. Естественно, чем эта инерционность меньше, тем точнее соответствует движение диффузора подводимым электрическим колебаниям.

Как всякое свободноподвешенное тело, диффузор может инерционно колебаться и имеет собственную частоту, не зависящую от частоты подводимого к катушке напряжения (катушки вообще может не быть, как в так называемых "пассивных излучателях"). Чем меньше инерционность диффузора, тем ниже их частота и меньше время затухания. В идеальном случае их вообще не должно быть - тогда можно было бы говорить о безынерционном диффузоре.

На поведение диффузора сильно влияет частота подводимого сигнала. На низких частотах диффузор добросовестно работает как поршень, и возбуждаемые акустические колебания адекватны электрическому сигналу, т.е. характеристика электромеханического преобразования здесь линейна. Но при повышении частоты точность соответствия изменения полярности сигнала направлению движения катушки с диффузором падает, возникают дополнительные колебания и стоячие волны. Образуются колебания, отсутствующие в исходном сигнале и являющиеся нелинейными искажениями. Другое следствие нелинейности отношения "вход/выход" - появление пиков и провалов на отдельных узких участках диапазона как результат действия дополнительных колебаний и стоячих волн. В акустическом отношении все эти факторы приводят к дополнительному окрашиванию звука, который будет отличться от исходного тембра.

На высоких частотах стоячие волны и дополнительные колебания (призвуки) не образуются. Однако колеблется только центральная часть диффузора вокруг катушки, до краев диффузора механическое возбуждение почти не доходит, т.е. диффузор уже не работает как жесткий поршень. В связи с резким уменьшением площади, передающей колебания в пространство, падает интенсивность высоких частот, имеет место спад амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) громкоговорителя. Такова в целом физика действия электромеханического громкоговорителя диффузорного типа.

Теперь рассмотрим некоторые технические параметры, по которым нормируются громкоговорители:

• номинальное электрическое сопротивление - сопротивление катушки в качестве нагрузки постоянному току;

• полное электрическое сопротивление - сопротивление переменному току в рабочем диапазоне частот с учетом максимумов и падений сопротивления на отдельных частотах и наличия противо-ЭДС.

• частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки;

• добротность электромеханической системы громкоговорителя. Это очень важная характеристика. Она показывает степень инерционности системы - как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора;

• номинальный диапазон частот, т.е. частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет норме;

• среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;

• характеристическая чувствительность - среднее звуковое давление, замеренное на расстоянии 1i от центра громкоговорителя на рабочей оси при подведении мощности 1 Вт. Это очень важный параметр. Понижение уровня характеристической чувствительности на 3 дБ требует увеличения мощности усилителя вдвое;

• неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или при необходимости в каком-либо ином) диапазоне частот. У хороших громкоговорителей она не превышает 3-4 дБ;

• частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;

• направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;

• коэффициент гармоник (обычно 3-й гармоники и выше) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала, в котором никаких гармоник нет;

• коэффициент интермодуляционных искажений. Об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал, содержащий две частоты 100 и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некоррректно называемые комбинационными гармониками) с частотами, соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800, 1200 , 600, 1400 Гц и т.д. Чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.

Из нескольких параметров мощности наиболее важны следующие:

• номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданного предела;

• "музыкальная мощность", называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает при реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого времени;

• пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель при шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1n) без повреждений;

Таковы основные технические параметры громкоговорителей. Следует заметить, что обращаться с паспортными данными следует осторожно. Некоторые производители иногда называют, например, диапазон воспроизводимых частот без указания на неравномерность характеристики; при этом может выясниться, что заявленный нижний порог в 25-30 Гц обеспечивается лишь при падении давления на 10 дБ и более, что фактически является фальсификацией.

От характеристик громкоговорителей перейдем к составляемым из них акустическим системам.

К сожалению, отечественная терминология еще не устоялась и не соответствует зарубежной. Так, собственно "динамики" в нашей терминологии, особенно в старых ГОСТах, именуются "головками", а акустические системы - "громкоговорителями". Отсюда и такие странные выражения, как "трехполосный громкоговоритель". В современной профессиональной и коммерческой среде используют термин "акустическая система", причем бытовые акустические системы называют по-обиходному "колонками", а профессиональные студийные акустические системы "мониторами". А еще иногда встречается и такой чудовищный термин, как "контрольный акустический агрегат". Некоторые, запутавшись, просто перешли на транслитерацию с английского - "спикер", в их устах вовсе не председатель Госдумы, а динамик "вообще". При этом низкочастотный "спикер" - это "вуфер" или "субвуфер", среднечастотный - "драйвер", а высокочастотный - это "твиттер", но для него есть и русское определение "пищалка" (кстати, точный перевод слова tweeter).

В данном обзоре постараемся обойтись разумными языковыми средствами - акустическая система и составляющие ее громкоговорители - высоко-, средне-, низкочастотные. Пусть несколько громоздко, зато понятно.

Данный обзор посвящен студийным акустическим системам. Это существенно облегчает нашу задачу, ведь в концертной акустике существует много конструктивных способов построения акустических систем, не нашедших себе места в студийной, и они весьма сложны. Студийная акустика традиционнее и конструктивно проще.

Из всего многообразия конструкций акустических систем в студийной практике используются только две - это закрытый ящик и фазоинвертор, а множество вариаций на его тему при внешнем различии не меняют физической сути.

Поскольку не существует громкоговорителя, способного воспроизводить с одинаковым уровнем все звуки слышимого диапазона, в одной акустической системе используют как минимум два громкоговорителя - для низко-средних и высоких частот. Низкочастотный громкоговоритель - всегда диффузорный динамик, среднечастотный- тоже, но иногда бывают среднечастотные рупорного типа (horn). Высокочастотные громкоговорители производятся как диффузорные, так и рупорные и купольные (dome, bullet). Двухполосная система используется обычно для так называемых "мониторов ближнего поля", т.е. располагающихся непосредственно вблизи головы звукорежиссера. Один динамик в такой системе воспроизводит низкие и средние частоты, другой - высокие. Подавать широкополосный сигнал на каждый громкоговоритель, особенно высокочастотный, нельзя - это приведет к сильнейшим искажениям и даже к выходу из строя высокочастотного динамика. Для разделения частот внутри корпуса находится разделительный фильтр (в зарубежной терминологии crossover). При этом частота разделения входного электрического сигнала для подачи на низкочастотный и высокочастотный динамики выбирается несколько выше, чем нижняя граница диапазона высокочастотного громкоговорителя. Учитывается также номинальная мощность ВЧ-громкоговорителя. Если она невелика, частота разделения повышается, т.к. при повышении частоты разделения мощность, приходящаяся на ВЧ-громкоговоритель, уменьшается. Однако, поскольку на низкочастотный громкоговоритель приходится в этом случае и большая энергетическая нагрузка и больший диапазон воспроизводимых частот, то в таких двухполосных системах применяется не чистый "басовик" (subwoofer), а почти широкополосный громкоговоритель с хорошей передачей средних частот и довольно высоким ограничением по низким. Этим и обусловлено применение двухполосных конструкций в небольших "ближних" акустических системах.

Гораздо лучше воспроизводят слышимый диапазон частот 3-х полосные системы, состоящие из низкочастотного громкоговорителя (woofer), среднечастотного (mid-driver), и высокочастотного (tweeter). Работа в ограниченном диапазоне "своих" частот улучшает звучание низко- и средне- частотных динамиков и снижает искажения, т.к. генерируемые этими динамиками гармоники высокого порядка оказываются выше частоты среза фильтра и соответственно подавляются.

Размещение динамиков в ящике (cabinet) - это целое искусство, подкрепляемое сложнейшими математическими расчетами. Не вдаваясь в чисто инженерно-конструкторские подробности, отметим главное - резонансная частота ящика должна быть ниже резонансной частоты низкочастотного громкоговорителя. Результат обратного соотношения каждый может легко себе представить.

В настоящее время схема ящика с фазоинвертором доминирует даже в малогабаритных акустических системах. Суть фазоинвертора (в зарубежной терминологии - bass-reflex) в том, что на стенке ящика, как правило, фронтальной, делается отверстие, а внутрь ящика вводится трубка. Диаметр отверстия, длина и форма трубки рассчитываются таким образом, что бы колебания воздуха, вызванные ходом обратной стороны низкочастотного диффузора, выходили из отверстия синфазно с колебаниями передней стороны диффузора. Таким образом, увеличивается как звуковое давление на низких частотах, так и площадь излучения, а это очень важный фактор. Необходимо отметить, что точность расчетов и выполнения фазоинвертора играют исключительную роль в достижении качественного звучания.

Вне зависимости от типа акустического оформления - закрытый ящик или фазоинвертор - конструкция предусматривает подавление всех призвуков и резонансов внутри корпуса. Для этого внутрь устанавливаются мягкотканевые поглотители, а в закрытых ящиках - рассекатели.

По сей день основным материалом для изготовления корпусов акустических систем остается древесина. При этом учитывается, что дерево обладает собственными акустическими свойствами, а внесение корпусом собственных призвуков нежелательно. С ними борются как специальными гасящими конструкциями, так и применением вместо сплошной "чистой" древесины древесно-стружечной плиты (ДСП), столь нелюбимой нами в мебели. ДСП не имеет какой-либо структуры (каковой являются линейные волокна дерева), поэтому меньше подвержена резонансам. Снаружи ДСП отделывается разными покрытиями, в том числе имитирующими дерево (фанеровка), но эта отделка носит чисто декоративный характер.

Наряду с традиционным использованием дерева продолжаются попытки использования иных материалов - пластика, металла, камня. Существует довольно большое число пластиковых акустических систем, как правило, небольшого размера (ближнего поля), звучащих достаточно приемлемо и дешевых в силу технологичности изготовления корпусов. Однако попытки создания пластмассовых корпусов акустических систем большого размера пока не увенчались успехом (с точки зрения акустики, разумеется, а не "ящикостроения"). Дело в том, что большой корпус должен обладать и большой массой, иначе в нем начинают "гулять" такие резонансы, что их подавление обходится гораздо дороже, чем, например, в деревянном корпусе.

Довольно эффективны и в последнее время популярны металлические корпуса акустических систем. Это связано, в частности, с широким использованием в студийной практике компьютеров с традиционными электронно-лучевыми кинескопами мониторов, на которые плохо влияют магниты динамиков, если те находятся слишком близко. Металлический корпус акустической системы является в данном случае экраном. Кроме того, металл технологичен в изготовлении и обеспечивает необходимую по акустическим требованиям жесткость.

Интересные результаты дает и использование камня. Тут о технологичности изготовления корпусов говорить не приходится, но акустические результаты оказываются превосходны. Впрочем, проблема решается компромиссом - применением синтетического материала, позволяющего соединить простоту производства корпуса с массивностью и жесткостью камня.

Однако, несмотря на активные поиски новых материалов, основным остается "старое доброе" дерево.

Долгое время традиционное расположение динамиков на передней стенке корпуса в виде "снеговика" (внизу низкочастотный громкоговоритель, в середине - среднечастотный, и наверху - высокочастотный) устраивало пользователей. Однако было замечено, что расстояние от центров разных динамиков до слушателя часто различно, и звуки от них доходят до слушателя не строго синфазно. Величина несинхронности чрезвычайно мала, но проблема, как говорится, имеется. Решение было найдено в различных типах так называемых коаксиальных, т.е. соiсных, находящихся на одной оси, громкоговорителях. В простейших случаях высокочастотный динамик закреплялся перед центром конуса низкочастотного диффузора, но, естественно, без физического соприкосновения с ним. Другой, более сложный, но и более изящный способ создания точечного излучателя предложила известная английская фирма Tannoy. В их, теперь уже классической системе, мембрана высокочастотного динамика находится сзади магнита низкочастотного динамика. В керне низкочастотного громкоговорителя проделаны каналы, по которым воздушное давление от высокочастотной мембраны проходит в направлении излучения низкочастотного диффузора, являющегося к тому же рупором для высоких частот. Так достигается идеальная точечность излучения.

Ранее упоминалось, что на высоких частотах диффузоры, особенно большие, колеблются в основном центральной частью, прилегающей к катушке. Это свойство было использовано при создании широкополосных громкоговорителей, популярных в профессиональной технике два-три десятилетия назад и встречающихся и поныне. В этих громкоговорителях в центральную часть диффузора вклеивался дополнительный микродиффузор, работавший как коаксиальный высокочастотный громкоговоритель. Конечно, результат был далек от качества настоящих коаксиальных систем, но отдача на высоких частотах у этих широкополосных динамиков действительно существенно улучшалась.

Современное производство предельно стандартизовано. Сложились стандарты и на размеры громкоговорителей - от мала до велика. Современные динамики принято мерить в дюймах, и это удобно: получается не только размер, но как бы и "номер изделия".

В студийной практике почти не применяются низкочастотные динамики больше 18", да и восемнадцатидюймовые встретишь не часто. Далее по порядку идут 15", 12", 10" и 8".

Среднечастотные - 8", 6,5" и 5". Высокочастотные - 4", 2,5" и 1,5". Впрочем, размеры диффузора имеют значение в основном для низкочастотных громкоговорителей, напрямую влияя на нижнюю границу диапазона и уровень звукового давления.

Упоминавшиеся ранее акустические системы ближнего поля должны работать непосредственно "на голову" слушателя, без влияния акустики помещения. По существу они призваны имитировать бытовые колонки полочного (shelf) типа. С их помощью звукорежиссер устанавливает общий баланс фонограммы, ее общую "пригодность".

Реальную звуковую картину могут представить только большие акустические системы (контрольные мониторы) "дальнего поля", звучащие равномерно по всему диапазону частот и не перегружающиеся при рекомендованном уровне прослушивания (около 90 дБ). Если "ближние мониторы" имитируют малогабаритные бытовые колонки, то дальние - концертную аппаратуру и реальный концертный зал. Именно они дают возможность услышать все детали фонограммы и оценить реально записанную звуковую информацию.

К сожалению, многие звукорежиссеры и целые студии стали позволять себе использовать малые мониторы для всего процесса, объясняя это тем, что, дескать, все равно результат их работы будут слушать на "мыльницах", т.е. переносных магнитолах и подобного рода аппаратуре. Но в таком случае звукорежиссер вполне сознательно выбирает низкий класс и на большее претендовать уже не может.

Необходимо сказать о некотором различии между требованиями к акустическим системам для студий звукозаписи и для процесса мастеринга. В последнем случае эти требования значительно строже. Здесь требуется эталонная акустика, обладающая максимально возможной линейностью АЧХ (кривая на графике должна приближаться к прямой во всем диапазоне воспроизводимых частот) и минимальными переходно-скоростными искажениями, т.е. добротностью и инерционностью. И все это в сочетании с очень большим звуковым давлением (больше 120 дБ). Иными словами, если акустика многоканальной студии должна достоверно воспроизводить звучание отдельных компонентов звуковой фактуры и показывать общий баланс, то акустика для мастеринга должна достоверно воспроизводить звучание завершенной, смикшированной фонограммы, а это уже более сложная задача, т.к. подаваемый на акустические системы сигнал сложнее и в динамическом, и в частотно-спектральном отношении.

Наконец, хотя бы кратко коснемся вопроса о различии профессиональных контрольных мониторов и бытовой Hi-Fi/Hi End акустики. Необходимость этого связана с тем, что в последнее время многие студии, особенно связанные с видео и мультимедиа, а также стартового уровня, стали использовать для контрольных целей бытовую Hi-Fi акустику.

Поскольку технически устройства профессиональной и бытовой техники почти не различаются, многие не понимают и акустической разницы между ними.

Обратите внимание, что звук профессиональной контрольной акустики характеризуется обычно в терминах, так сказать, этического ряда - "честный", "точный", "правильный" и т.п. Hi-Fi акустики, напротив, - в эстетических определениях - "красивый", "роскошный", "яркий", "сочный", либо "тусклый", "вялый" и т.п. Делается это стихийно, без всякого специального соглашения о терминологии, что как раз и подчеркивает принципиальную психологическую разницу между требованиями к этим видам акустических систем.

Приобретая акустику для бытовых целей, мы хотим получить удовольствие от прослушивания музыки (кино, видео и др.). Вряд ли потребитель будет возражать, если запись прозвучит даже лучше, чем в реальном исполнении в студии или на концерте. Для этого бытовую аппаратуру и оснащают темброрегуляторами, эквалайзерами, а теперь уже и цифровыми процессорами. Крути ручки под свой вкус, независимо от того, насколько это соответствует оригинальной фонограмме. В конце концов, покупатель всегда прав!

От профессионального контрольного устройства требуется совершенно иное - максимальное соответствие звука записанному сигналу. А максимальная достоверность и объективность акустической системы выражается, как уже сказано, в линейности ее АЧХ, как в частотном отношении, так и в переходных процессах. Красиво же или некрасиво это звучит, тут уж, как говорится, что есть - то есть.

Недаром от многих звукорежиссеров можно услышать: "Без мониторов фирмы Х модели Y работать не могу, но у себя дома не поставлю ни за что".

В одном случае нужна Правда, в другом - Красота.

Те же звукорежиссеры, которые используют в студии пусть и качественную и дорогую, но бытовую акустику, рискуют услышать совершенно не то, что записано в фонограмме. Результатом может быть неправильно сведенная и несбалансированная запись, которая при воспроизведении на другой акустике прозвучит как брак, и уже ничего не исправить.

Поэтому звукорежиссерам и инженерам, особенно начинающим, такой совет - не экономьте на контрольных мониторах, не уподобляйтесь фотографу, который для себя сделал хороший отпечаток, а в редакцию отнес полузасвеченный. Кажется, это точное сравнение для оценки работы с бытовой акустикой.

[дальше]