Справочник по производителям аудиотехники в Японии Акустические системы Виниломания Проигрыватели виниловых пластинок Запись на магнитную ленту Усилители Проигрыватели компакт-дисков Измерения, расчеты, теория Средства коррекции звукового поля

  Как увлекаться аудио правильно Мои коллекции   Сделай сам Моя коллекция аудиотехники Перлы идиотов Ссылки Кабинет доврачебной помощи О сайте

Основы конструирования АС


Материал для статьи в значительной мере почерпнут из учебника по акустике начала 80-х годов прошлого века.

Прежде всего, перечислим тот набор параметров, которые будут постоянно фигурировать в дальнейшем изложении, и которые должен хорошо понимать всякий образованный человек, тем более увлекающийся аудио.

Параметр Значение Комментарий
D Поршневой диаметр НЧ-динамика.

Очень часто, когда говорят о размерах НЧ-динамика, имеют ввиду внешний диаметр корзины или посадочный размер, т.е. расстояние между диаметрально противоположными дырками в ней, предназначенными для крепежа. Нам не нужно ни то, ни другое. Нас интересует только то, что реально движется, а это значит, что измерение диаметра производится между центральными точками подвеса (очевидно, что эта цифра всегда меньше и диаметра корзины, и посадочного размера).

f Резонансная частота динамика безо всякого акустического оформления, т.е. динамика, полностью вынутого из АС.

Одна из важнейших характеристик динамика, необходимая для множества расчетов. Измеряется с помощью MLSSA. У «голого» НЧ-динамика может быть очень низкой, что сулит охуенное воспроизведение НЧ. При монтаже в любой, даже очень правильный корпус растет и превращается в fbox, что снижает оптимизм. При монтаже в неподходящий корпус бас может вообще пропасть нахуй.

fbox Резонансная частота динамика, вмонтированного в акустическое оформление.

Измеряется с помощью MLSSA. На графиках импеданса fbox всегда соответствует первому максимуму в случае закрытой АС и второму максимуму в случае АС с фазоинвертором. Ниже fbox отдача АС на НЧ стремительно падает. Жизненный опыт (к которому, среди прочего, относится и прослушивание мной штук так 600 самых различных АС) утверждает, что если fbox > 55Гц, то о нормальном басе можно забыть. fbox ~ 50Гц это уже кое-что, иногда очень даже неплохо. Ну, а дальше (в смысле вниз) счет идет буквально на герцы — каждый новый -1Гц дает ощутимую прибавку в басе в любых условиях.

Q Добротность на частоте f.

Одна из важнейших характеристик динамика, необходимая для множества расчетов. Измеряется с помощью MLSSA. Грубо говоря, добротность — это мера «колокольности» резонанса. Резонансный пик высокий и узкий? Значит, добротность высокая. Резонансный пик низкий и широкий? Значит, добротность низкая.

Qbox Добротность на частоте fbox.

Измеряется с помощью MLSSA. Одна из тех вещей, повлиять на которые крайне сложно. Если уж очень надо, легкий диффузор можно утяжелить, приклеив к нему чего-нибудь или прилепив с двух сторон магнитики — тогда у него понизится f (см. ниже по тексту). А чем «взять» эту гадость...

C Гибкость закрепления подвижной системы (подвес и гофр).

Измеряется с помощью MLSSA.

Vэкв.  

Одна из важнейших характеристик динамика, необходимая для множества расчетов. Оценивается с помощью MLSSA.

V Внутренний объем акустического оформления.

При расчете V необходимо (хотя бы приблизительно) учитывать находящиеся внутри АС предметы, которые «съедают» свободное место, как то: детали крепежа, распорки, кроссовер, крупные магниты динамиков и т.д. Понятно, что точный расчет в этом деле практически невозможен, но хорошее приближение дает следующий подход, применимый к большинству АС. Измеряются внешние габариты АС, после чего из каждой цифры вычитается 3см (т.е. средняя толщина стенки, помноженная на 2). Затем цифры перемножаются и результат дополнительно умножается на 0,96 — получается более-менее реалистичный свободный внутренний объем. Следует также обратить внимание на то, что многие винтажные АС имеют своего рода фронтальные ниши (см. пример) — в этом случае из измеряемой по внешнему периметру глубины колонки нужно в дополнение к 3см вычесть еще и глубину ниши (обычно это 2,5-5см).

m Масса подвижной системы (диффузор + катушка).

В идеале определяется при производстве динамиков путем банального взвешивания. Но поскольку из готового динамика подвижную систему изъять нельзя, то можно только оценить с помощью MLSSA.

d Диаметр фазоинвертора.  
l Длина фазоинвертора.  
fbr Частота настройки фазоинвертора.  

Внимание: при работе с формулами не забывайте все подставляемые в них величины переводить в единую систему измерения (например, СИ (все длины, площади и объемы — в соответствующих степенях метров, масса — в килограммах, скорость — в метрах в секунду и т.д.) или СГС, т.е. сантиметр-грамм-секунда).

Также имейте ввиду, что все электро-механические параметры динамиков (включая те, что здесь не приведены) весьма лабильны и легко и непринужденно, а, главное, самопроизвольно флуктуируют от измерения к измерению на единицы процентов (а в некоторых случаях превышают 10%). Поэтому, получив однажды f = 40Гц, не стоит удивляться тому, что при повторном измерении, скажем, через 2 дня, эта самая f превратилась в 42Гц.

Кстати, очень удобно забить формулы в Excel и хуярить всякие прикидки, варьируя то да сё.


Плоский экран

Даже самый-рассамый НЧ-динамик, но без акустического оформления (в дальнейшем — АО, корпуса или ящика) воспроизводит НЧ очень плохо — их практически не слышно. И даже небольшой плоский экран улучшает ситуацию весьма существенно. При этом экран не оказывает практически никакого влияния на воспроизведение СЧ и ВЧ. Экран можно выполнить в форме квадрата, но еще лучше — в форме прямоугольника с соотношением сторон 2,5:1. Абсолютные размеры экрана выбираются так, чтобы его площадь была равна площади круга с диаметром, вычисляемым по формуле:

              171,5
dэкрана = ---------
               f x Q

                                                           96,1
Отсюда высота прямоугольного экрана: --------, а длина — в 2,5 раза больше.
                                                           f x Q

При таких размерах АЧХ получается наиболее равномерной. Если по какой-то причине экран выполняется меньшей площади, то на частоте f следует ожидать спада, который вычисляется по формуле

                        dтеор.
N, дБ = 20 x log ---------
                                dфакт.

где dтеор. — расчетный эквивалентный диаметр, а dфакт. — фактический.

Динамик необходимо врезать строго по центру экрана, ибо любое смещение в сторону ухудшает АЧХ и понижает чувствительность. Настоятельно рекомендуется монтировать динамик заподлицо с передней плоскостью экрана, ибо в противном случае перед головкой образуется пусть и короткая, но труба, столб воздуха в которой может резонировать на ряде частот и, тем самым, ухудшать качество звучания.

Самым лучшим, но нереализуемым на практике вариантом является монтаж динамика в стену — такое решение дает качество звучания, которое практически невозможно превзойти, особенно на НЧ. Главная сложность при этом состоит в том, что звук из динамика идет не только в ту комнату, где проводится прослушивание, но и в ту, куда динамик обращен тыльной стороной.


Открытый корпус

Представляет собой ящик, у которого задняя стенка вообще отсутствует, либо имеет ряд сквозных отверстий. В этом случае наибольшее влияние на АЧХ оказывает передняя стенка и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боковые стенки на АЧХ практически не влияют. Таким образом, важен вовсе не внутренний объем ящика, а площадь его передней стенки. Однако благодаря наличию боковых стенок, эквивалентный диаметр передней стенки можно делать на 30% меньше эквивалентного диаметра экрана (см. раздел о плоском экране выше).

Если сделать открытый корпус глубоким, то он может начать резонировать как труба на частотах тем более низких, чем больше длина трубы. Поэтому делать открытый корпус очень уж глубоким не стоит. Кроме того, нигде, кроме задней стенки, не должно быть никаких щелей или отверстий (особенно касается передней стенки). Также нельзя загораживать чем бы то ни было заднюю поверхность динамика. Все остальные рекомендации — те же, что и для плоского экрана. Суммарная площадь перфораций в задней стенке должна составлять не менее 20% ее площади. Лицевая панель, в которой крепятся динамики, должна быть не тоньше 15мм.


Корпус с лабиринтом

АО типа лабиринт Это весьма интересное решение было предложено как способ борьбы с акустическим коротким замыканием. Из рисунка видно, что задняя сторона диффузора работает на лабиринт-звукопровод, образованный рядом перегородок. Поперечное сечение лабиринта — как правило, прямоугольное. Его площадь делается примерно равной площади диффузора. Выпрямленная длина лабиринта должна быть равной ½ длины волны на частоте f, благодаря чему излучение из выходного отверстия лабиринта будет синфазно с излучением передней стороны диффузора. Так, например, половина длины волны на 50Гц составляет 3,4м — следовательно, и длина лабиринта должна быть такой же. Внутренние стенки лабиринта желательно покрывать слабо набитыми и простеганными ватными матами.


Закрытый корпус

Суть решения заключается в том, что задняя поверхность диффузора не излучает в пространство и, таким образом, полностью отсутствует акустическое короткое замыкание. Однако при этом возникает другая проблема — диффузор должен превозмогать упругость воздуха в объеме герметично закрытого ящика. Наличие этой упругости приводит к повышению fbox, что, в свою очередь, ухудшает воспроизведение НЧ.

Для того чтобы fbox повышалась не очень сильно, нужны динамики с тяжелой подвижной системой (диффузор + катушка), что позволяет снизить резонансную частоту согласно формуле:

                                 C + Cair
fbox = 0,16 x корень из ----------------
                                    m x C x Cair

                                    Vэкв.
fbox = f x корень из 1 + -------
                                   V

где Сair — гибкость воздуха в ящике.

Нетрудно догадаться, что повышение массы подвижной системы влечет за собой снижение чувствительности (т.е. громкости звучания при одном и том же положении ручки громкости). Особо низкой чувствительностью отличаются МАСы (малогабаритные акустические системы), упругость объема воздуха внутри корпусов которых (Cair), существенно больше упругости крепления подвесной системы (C).

И вот здесь мы подходим к очень важному и серьезному моменту.

Если добротность Qbox (т.е. добротность на резонансной частоте динамика, вмонтированного в акустическое оформление) превышает 1, то в этом случае подвижная система оказывается «раздемпфированной» тем больше, чем выше Qbox. Это значит, что при воспроизведении музыки она будет дополнительно колебаться с частотой собственных колебаний, близкой к fbox. На слух это воспринимается как знаменитая «грязь на низах», т.е. подмешивание к фонограмме той или иной разновидности гудения. Теоретически это явление начинает возникать уже при Qbox=0,7, но отчетливую слышимость приобретает лишь по мере приближения к 0,9-1.

С другой стороны, чем добротность меньше, тем больше спад АЧХ на fbox. Так, например, при Qbox=0,7 он составляет 3дБ, а при Qbox=0,5 — уже 6дБ. Но если компенсировать такой спад в усилителе, то система с низкой добротностью дает существенно более высокое качество звучания.

Зависимость неравномерности АЧХ АС типа ЗЯ от ее Q

Зависимость неравномерности АЧХ АС закрытого типа от ее добротности (Qbox).

В остальном же закрытые ящики необходимо выполнять так, чтобы не было даже небольших щелей или отверстий, наличие которых может превратить закрытую систему в открытую. Размеры ящика рекомендуется делать как можно больше, однако и здесь есть свой предел, выше которого подниматься нет смысла:

                       d4
Vmax = 4010 x ---------
                        m x f2

Если продолжать увеличивать объем ящика сверх Vmax, то снижение резонансной частоты системы fbox будет практически незаметно, т.е. увеличения отдачи на НЧ больше не будет.

Что же касается минимально допустимого объема ящика, то он выбирается так, чтобы из-за повышения fbox итоговая добротность Qbox не превышала 1. Итоговая добротность акустической системы определяется через добротность НЧ-головки Q как

                                      Vэкв.
Qbox = Q x корень из 1 + --------
                                      V

Отсюда

          Vэкв.
Vmin = ---------------
        Qbox2
            ------ - 1
        Q2

При этом итоговая резонансная частота

              Qbox
fbox = f x -------
               Q

Естественно, может статься, что при таком (минимальном) акустическом оформлении итоговая fbox окажется слишком высокой. Тогда нужно увеличивать объем до получения нужной резонансной частоты.

Уменьшение резонансных явлений внутри закрытого ящика достигается путем обивки его звукопоглощающими материалами, наиболее доступным из которых является хлопчатобумажная вата, которую распределяют по внутреннему объему из расчета примерно 15г/л.

Чаще всего АО (как закрытого, так и фазоинверторного типа) выполняют в форме параллелепипеда с соотношением сторон в районе В:Ш:Г = 1 : 0,55 : 0,41. Однако периодически предпринимаются попытки придавать АО иные формы. На приводимом ниже графике можно видеть, насколько это влияет на неравномерность АЧХ.

Неравномерность АЧХ в зависимости от формы корпуса Зависимость неравномерности АЧХ АС от формы акустического оформления.

Нетрудно видеть, что самая равномерная АЧХ получается при корпусе в форме шара. Ахуеть. Где только такой взять? Несколько менее хороший, но все равно очень приличный результат дают корпуса в форме гнутого воздухопровода. Ебануцца. Еще не легче. 3-е место делят ящики в форме вертикально поставленного цилиндра и привычные всем нам вертикально поставленные гробы-параллелепипеды. Наибольшая херня получается, если монтировать динамики в торец трубы — хоть с круглым сечением, хоть с прямоугольным. Познавательно!

В процентном отношении АС закрытого типа составляют явное меньшинство.

Корпус с фазоинвертором

Стремление получить относительно хорошее воспроизведение НЧ при сравнительно небольшом АО привело к изобретению фазоинвертора (в западной терминологии bass-reflex). Конструкция очень простая — в корпусе закрытой системы делается щель или отверстие, в которое часто вставляется трубка.

Суть решения состоит в том, что упругость объема воздуха в оформлении резонирует на какой-то частоте с массой воздуха в отверстии или трубке. Эта частота называется резонансной частотой фазоинвертора (в дальнейшем ФИ). Таким образом, акустическая система в целом становится состоящей как бы из двух резонансных систем — подвижной системы динамика и АО с отверстием. При этом подвижная система динамика ведет себя как последовательный резонансный контур, а ФИ — как параллельный.

АС с ФИ АС с фазоинвертором.

а) Устройство
б) Исходная и примененная аналоговые электрические схемы, где m0, c0, r0 — масса, гибкость и активное сопротивление подвижной системы динамика, с1 — гибкость воздуха внутри АО, а m1 и r1 — масса и активное сопротивление щели, дырки или трубки ФИ.

При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих систем, воспроизведение НЧ значительно улучшается по сравнению с закрытыми и открытыми АС с точно таким же объемом АО. Это объясняется тем, что на частотах выше резонансной частоты ФИ скорость колебаний частот в ФИ имеет более благоприятный сдвиг по фазе относительно скорости колебаний тыльной стороны диффузора, чем в случае открытой системы, когда от передней и задней ее сторон приходят колебания, сдвинутые по фазе на 180 относительно друг друга.

Однако, несмотря на весь потенциал, очень часто такие системы — даже изготовленные, казалось бы, опытными людьми! — не дают ожидаемых результатов. Причина этого в том, что для достижения необходимого эффекта ФИ должен быть правильно рассчитан и настроен. Нельзя просто просверлить в колонке дырку и вставить в нее какую-то там трубку! Неправильный ФИ, в лучшем случае, не дает никакого улучшения звучания — что есть он, что нет — практически без разницы.

Чтобы получить необходимый эффект, прежде всего, необходимо воспользоваться кривыми

  • отношения резонансной частоты ФИ к резонансной частоте НЧ-динамика fbr/f
  • добротности динамика на резонансной частоте Q
  • отношения частоты f3 к резонансной частоте динамика f3/f.

Все эти величины даны в зависимости от Vэкв./V.

Кривые расчета фазоинверторов Фундаментальные кривые расчета ФИ.

Вот эти графики — это самое-самое главное, без них ничего путного сделать нельзя.

Сначала проводим горизонтальную прямую по уровню Q (добротность, естественно, берем реальную, т.е. измеряем ее у того конкретного динамика, который должен стоять или уже стоит в корпусе с ФИ). Из точки пересечения с кривой Q опускаем вертикаль, из которой определяем

  1. абсциссу Vэкв./V, по которой вычисляем V = Vэкв./Q
  2. ординаты f3/f и
  3. fbr/f, по которым вычисляем f3 и fbr соотвественно.

Максимальное значение диаметра трубки ограничивается тем, что определенная по формуле ее длина должна быть не больше 1/12 длины волны на резонансной частоте f. Кроме того, трубка не должна упираться в противоположную стенку — расстояние до нее должно быть не менее 4см. Размеры трубки определяются из уравнения:

4l + 3,4d      93622,1
-------------- = ------------
   d2           V x f2

в которое l и d подставляются в сантиметрах, а V — в литрах.

Если же делается не трубка, а отверстие, то рекомендуется делать его диаметр как можно больше и никак не меньше половины диаметра диффузора.

Из сказанного сразу же следуют несколько важнейших выводов. Во-первых, динамики с Q<0,1 и Q>0,55 в корпуса с ФИ вообще не устанавливаются. Поэтому если при измерениях выясняется, что в каких-то колонках с ФИ НЧ-динамики имеют Q, выходящую за указанные пределы, то это заведомо полная хуйня. Во-вторых, если реальный объем колонок V превышает Vэкв. более, чем в 2 раза или меньше Vэкв. более чем в 10 раз, то говорить о ФИ опять-таки бессмысленно.

Как Technics пытались помахать елдой перед Nakamichi

В последнее время участилась ситуация, когда некий гнус дает где-то ссылку сюда и приписывает, что, мол, «частично согласен» или «со многим согласен». Бля, ну неужели кто-то становится умнее? Нихуя подобного. Ща объясню. Я с гораздо большей симпатией отношусь к тараканам, которые убегают отсюда захлебываясь блевотиной и проклятиями в мой адрес. Человек, который не понял тут вообще нихуя — обычный калека. Ему нужно давать инвалидность даже не по потере мозга, а по отсутствию такового с рождения. Тем более, что сейчас это обычное явление. А вот тех, кто, типа, «Ну-у-у, с чем-то согласен, но конечно не со всем!» нужно просто зарубать нахуй саперной лопаткой.

Блядь, нельзя быть беременным наполовину. Ты уж лучше будь калекой — какой с калеки спрос?! А когда ты, сраный даун, заикаешься о каком-то там частичном согласии, то ты просто ебешь скотобазе мозги. Либо ты согласен тут со всем, либо ни с чем. Все понял? Пшелнах.