Аудиофил никогда не успокаивается. Он хочет добиться совершенного звучания музыки у себя дома. В продаже есть большой выбор акустических систем (АС). Правда, цены больно «кусаются», но так было не всегда. Лет 40 тому назад у меня выбора не было: в продаже имелась стереорадиола «Симфония» (даже без стереодекодера, для его подключения был только разъем на задней стенке), по цене равная трехмесячной зарплате начинающего инженера (330 «полновесных» советских рублей). АС радиолы, в общем-то, работали хорошо, однако самые низкие частоты звучали «не убедительно» (даже с транзисторным усилителем) ведь закрытый ящик, резонансная частота динамика 70 Гц. А хотелось послушать и орган с его fн=16 Гц, и турецкий барабан, настроенный на 20 Гц, наконец, тот же концертный рояль (от 27,5 Гц)! Взгляните на рис.1, и вам станет ясно, что и как (в каком диапазоне) звучит.
^Нажмите для увеличения^
Если что-то нельзя купить, то аудиофил строит «это» сам. Хорошие динамики для низких частот в ту пору в магазинах не продавались Их «добывали», привозили «из-за бугра». Как-то раз, будучи у своего знакомого, я увидел удивительные динамики из Великобритании. Назывались они «модуль Jordan Watts». Маленькие (152х152х50 мм), увесистые (3,2 кг), с диафрагмой из металла (анодированного алюминия) ди-метром 4 дюйма (10 см). Они имели ход диффузора 6,5 мм, резонансную частоту 41 Гц, мощность 12 Вт и полосу частот от 30-17000 Гц (по уровню ±3 дБ). К ним придавался лист спецификаций, на котором был изображен чертеж рекомендуемого ящика (рис.2) и таблица с семью вариантами АС. Там были конструкции с двумя и одной головками (модулями) разного размера (все – фазоинверторы). В зависимости от размеров получались разные нижние воспроизводимые частоты. Одна АС имела fн=20 Гц! Правда не был указан уровень звукового давления.
^Нажмите для увеличения^
Воспользовавшись статьей из журнала «Радио», я произвел расчеты фазоинверторов по размерам из таблицы и получил неплохое (по тем вр-менам) совпадение с данными фирмы. Владелец динамиков построил АС «Juliet» по указанным в таблице размерам и был доволен результатами. В этой АС резонансная частота головки почти совпадала с частотой настройки фазоинвертора. В то время расчет фазоинверторов производился по эмпирическим формулам и графикам. Теория не была разработана, но считалось, что настройка ящика фазоинвертора должна совпадать с резонансной частотой динамика на открытом воздухе. А тут (для АС «Jupiter») — 41 Гц у головки и 20 Гц у самой АС. Загадка? Фантастика?!
^Нажмите для увеличения^
И, вдохновленный, я решил сам построить АС. Какие? А самые лучшие! С трудом приобрел четыре головки 25ГД-26 (прямо из Бердска) для НЧ-звена (по две головки на АС) По материалам журнала «Радио» и книге М.Эфрусси спроектировал и изготовил солидные (90 л — наружный объем) ящики из ДСП толщиной 20 мм. Чертеж передней панели приведен на рис.3. Учел все рекомендации по заглушению стенок: наклеил слой ДВП (6 мм) на вибропоглощающей мастике, обтянул винилискожей. Фазоинверторы настроил на 25 Гц (динамики имели fр=36-42 Гц).
^Нажмите для увеличения^
Стал слушать. Звучание на низких частотах не удовлетворило! Заполнил весь объем ящика ватой (почти 3 кг!). Звук стал лучше, но басы все равно звучали плохо (не было «легкости» и «мощи»). Кстати, не лучше звучали и появившиеся в продаже громкоговорители 35АС-1. По прикидке, финансовые затраты на мои АС соответствовали стоимости 35АС-1.
Прошло несколько лет, и появилась книга Э.Л.Виноградовой, открывшая глаза. Приведенная там теория все разъяснила и поставила «на свои места». Хорошо работающий громкоговоритель с фазоинвертором можно построить только в том случае, если соблюдать определенные соотношения между параметрами динамика и ящика. Параметры динамиков всегда (подчеркиваю, всегда!) нужно измерять. Существует производственный разброс. Материалы стареют (меняется гибкость подвеса, слабеет магнит), и тогда возрастает добротность. Описания АС, в которых не приводятся параметры примененных головок измеренные авторами, мне кажутся несерьезными, так что не советую слепо копировать подобные «шедевры».
Основные параметры при измерении динамика:
^Нажмите для увеличения^
Еще некоторые соотношения:
Vas/V = (fh2 – fb2) ∙ (fb2 – fl2) / (fh2 ∙ fl2), где
fl и fh – частоты (нижняя и верхняя) «горбов» на Z-характеристике фазоинвертора;
fs’ = (fl ∙ fh) / fb, где
fs’ – резонансная частота головки с учетом присоединенной массы воздуха, возникающей при работе головки в фазоинверторе;
^Нажмите для увеличения^
где Qb – добротность акустического оформления, учитывающая потери в щелях ящика и головки, в заполнении ящика и в трубе фазоинвертора;
Rb –сопротивление головки на частоте настройки фазоинвертора;
Rs – сопротивление головки на резонансной частоте.
Имея основные параметры динамических головок, можно по номограммам найти частоту настройки фазоинвертора fр и его нижнюю рабочую частоту по уровню -3дБ – f3.
В соответствии с теорией работы динамика в фазоинверторе, можно получить различные АЧХ полной мощности. Их называют по фамилиям математиков, исследовавших соответствующие кривые и математические выражения – полиномы, описывающие данные кривые. Это – полиномы Баттерворта, Чебышева, Кауэра и другие. При определенных соотношениях между параметрами получаются различные АЧХ громкоговорителя.
^Нажмите для увеличения^
Если Qt=0,383, Vas/V=1,41, fb/fs=1 и Qb>10, имеем АЧХ Баттерворта (максимально гладкую). Такие АС чаще всего и строят. В них fb=fs, т.е. частота настройки фазоинвертора равна резонансной частоте головки. Когда Qb=10 номограммы соответствуют рис.4, для Qb=5 – на рис.5.
^Нажмите для увеличения^
А если Qt имеющейся головки отличается от этих «баттервортских» значений? Тогда, как мы видим из номограмм, изменятся отношения Vas/V, fb/fs и f3/fs. Конечно, изменится и АЧХ: при росте Qt она из максимально гладкой (баттервортовской) превращается в волнистую характеристику Чебышева. И для нее f3/fs<1, т.е. можно получить АЧХ с нижней воспроизводимой частотой, меньшей, чем резонансная частота динамика. Вот и разгадка английских акустических систем (41 Гц и 20 Гц).
В моих АС динамики имели Qt=0,54, Vas/V=90/68=1,32. Головки стояли рядом, и Vas для двух головок был вдвое больше, чем для одной. А для Qt=0,54 (рис.4 и рис.5) нужно Vas/V=0,3, т.е. объем ящика должен в 3 раза превосходить эквивалентный объем головок. Получается: V=Vas/0,3=90/0,3=300 л.
Положение еще более усугублялось активным сопротивлением дросселя разделительного фильтра для НЧ-головки в АС, которое увеличивало Qt на 10%.
Но аудиофил никогда не успокаивается! Мысль пришла неожиданно. Эврика! Я вспомнил про сдвоенные головки. Ведь у них эквивалентный объем уменьшается вдвое по сравнению с одной головкой, добротность сохраняется, а fs=√(fs1∙fs2).
Сказано — сделано! Соединяю две головки диффузор к диффузору через прокладку 3 мм и вставляю этот «бутерброд» на место одного НЧ-динамика с внутренней стороны передней панели. Ничего, что магнит одной головки торчит наружу, а отверстие под второй динамик наскоро заделано заплаткой из ДСП (нижнее отверстие на рис.3) Главное идея! Измеренная Qt=0,5 — даже меньше, чем у одиночных динамиков. Одно и понятно, ведь излучение идет от тыльной стороны диффузоров, и эффективная площадь уменьшилась за счет окон в диффузородержателе, а сопротивление излучению — увеличилось. Линеаризовалась индуктивность звуковой катушки, уменьшились гармоники.
Кстати, искажения за счет эффекта Допплера не ощутимы у НЧ-звена, если его верхняя частота не выше 500-800 Гц, а нижняя 25-30 Гц. И здесь излучение по оси головок экранировано магнитами, а, как писал Дрейзен: «Сбоку от нейтрали громкоговорителя эти искажения не слышны». Желающие могут посчитать эти искажения по формуле:
KD = (18 ∙ 103 ∙ fв √Pa) / (fн2 ∙ d2) [%], Pa = Pэ ∙ КПД, где:
Pa – акустическая мощность, Вт;
Pэ – электрическая мощность, Вт;
d – диаметр диффузора, см;
fн, fв – соответствующие граничные частоты диапазона, Гц.
У меня, при Pэ=10 Вт, КПД=0,1%, fн=28 Гц, fв=800 Гц получилось:
KD = (18 ∙ 103 ∙ 800 √0,01) / (282 ∙ 202) = 4,5%.
Снимаю Z-характеристику АС, высчитываю Vas/V=0,29. Вот теперь все совпадает! Измеряю fs на открытом воздухе: головка 1: 34,5 Гц; головка 2: 42,8 Гц; сдвоенный блок (компаунд): 38 Гц.
По расчетам:
fsk = √(fs1 ∙ fs2) = √(34,5 ∙ 42,8) = 38,4 [Гц];
Vask/Vk = (41,42 – 242) ∙ (242 – 202) / (41,42 ∙ 202) = 0,29;
fsk = (f1 ∙ fh) / fb= (41,4 ∙ 20) / 24 = 34,5 [Гц].
Напоминаю, fsk<fsk за сче присоединенной массы воздуха в ящике с фазоинвертором. Нахожу Qak=5,148 и Qek=0,883, а также Qbk≈3,5. Qbk маловато, но, убрав лишнюю вату и оставиви около 700 г, приближаюсь к Qbk≈5. Теперь номограмма на рис.5 подходит, fbk/fsk≈0,75; f3k/fsk≈0,7, откуда нахожу fbk=25,9 Гц; f3k=24,2 Гц.
Проверяю АЧХ на слух по тестовому компакт-диску. Частоту 25 Гц слышу с небольшим завалом, 31,5 Гц – прекрасно. Звучание музыкальных программ с турецким барабаном просто радует («Траурная месса» Верди, часть – «Лакримоза», в исполнении Страсбургского филармонического оркестра). А когда на форте-фортиссимо хора и оркестра вступают ударные, подпрыгивает все, в том числе, от неожиданности, и я. Вот этого великий Верди и добивался! Такое звучание на НЧ я слышал только от АС «Таппоу» с объемом 200 л и диаметром головки около 380 мм.
Бубнит ли «Чебышев»? Я этого не заметил. А вот потери за счет дифракции – заметил, когда стал измерять АЧХ громкоговорителей, установленных на расстоянии 1,5 м от стен. Рассчитаем частоту, на которой образуется этот спад (-3 дб) по формуле:
f= 115 / W = 115 / 0,375 ≈ 300 [Гц], где W – ширина АС, м.
Это значение точно совпало с измеренным. Если АС стоят в углах комнаты размерами 6хЗх2,7 м по узкой стене, то падения НЧ за счет дифракции не происходит.
Конечно, надо учесть, что АЧХ громкоговорителя в обычной жилой комнате будет иметь множество пиков и провалов за счет отражений звука от стен, потолка, пола и других поверхностей. Это показано на рис.6(кривая 1 – АЧХ в комнате, кривая 2 в звукомерной камере).
^Нажмите для увеличения^
Подведу итоги:
- Если хотите получить самые низкие частоты, а резонансная частота динамиков где-то в 1,5 раза выше их, то вам поможет АС «по Чебышеву».
- Чтобы не строить громадные ящики, можно применить сдвоенные головки.
- Грамотно настроенные АС «по Чебышеву» не «бубнят»!
- Аудиофил никогда не успокаивается (аксиома!).
Один вопрос у меня все же остался: пики на Z-характеристике немного разные по высоте, и выровнять их пока не удалось. Почему?
Автор работы: Пугачев И.
г. Минск
