Акустические системы

При грамотном использовании  алгоритмов CC получаются весьма хорошие  результаты, обеспечивающие воспроизведение  звука, источники которого расположены  в вертикальной и горизонтальной плоскости. Фантомный источник звука  может располагаться далеко вне  пределов линейного сегмента между  двумя колонками.

Давно известно, что для  создания убедительного 3D звучания достаточно двух звуковых каналов. Главное это  воссоздать давление звука на барабанные перепонки в левом и правом ушах таким же, как если бы слушатель  находился в реальной звуковой среде.

 

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Зная азбуку октав и  музыки, можно приступить к пониманию  АЧХ. АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) – зависимость амплитуды колебания  на выходе устройства от частоты входного гармонического сигнала. То есть системе  подают на вход сигнал, уровень которого принимается за 0 дБ. Из этого сигнала  колонки с усилительным трактом  делают, что могут. Получается у них  обычно не прямая на 0 дБ, а некоторым  образом изломанная линия. Самое  интересное, кстати, заключается в  том, что все (от аудиолюбителей до аудиопроизводителей) стремятся к идеально ровной АЧХ, но "пристремиться" боятся.

Собственно, в чем польза АЧХ и зачем авторы TECHLABS с завидным постоянством стараются замерить эту  кривую? Дело в том, что по ней  можно установить настоящие, а не нашептанные "злым маркетинговым  духом" производителю границы  частотного диапазона. Принято указывать, при каком падении сигнала  граничные частоты все-таки проигрываются. Если не указано, то считается, что были взяты стандартные -3 дБ. Вот здесь  и кроется подвох. Достаточно не указать, при каком падении были взяты значения границы, и можно  абсолютно честно указывать хоть 20 Гц – 20 кГц, хотя, действительно, эти 20 Гц достижимы при уровне сигнала, который сильно отличается от положенных -3.

Также польза АЧХ выражается в том, что по ней, хотя и приблизительно, но можно понять, какие проблемы возникнут у выбранной системы. Причем системы в целом. АЧХ страдает от всех элементов тракта. Чтобы  понять, как будет звучать система  по графику, нужно знать элементы психоакустики. Если коротко, то дело обстоит  так: человек разговаривает в  пределах средних частот. Поэтому  и воспринимает их же лучше всего. И на соответствующих октавах  график должен быть наиболее ровным, так  как искажения в этой области  сильно давят на уши. Также нежелательно наличие высоких узких пиков. Общее правило здесь такое: пики слышны лучше, чем впадины, и острый пик слышен лучше пологого.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает изменение фазы гармонического сигнала, воспроизводимого АС в зависимости  от частоты. Однозначно может быть вычислена  из АЧХ с помощью преобразования Гильберта. Идеальная ФЧХ, говорящая, что система не имеет фазочастотных  искажений, прямая, проходящая через  начало координат. Акустика с такой  ФЧХ называется фазолинейной. Долгое время на эту характеристику не обращали внимания, так как существовало мнение о том, что человек не восприимчив  к фазочастотным искажениям. Сейчас же измеряют и указывают в паспортах дорогих систем.

Импульсной характеристикой (импульсным откликом) называют выходной сигнал АС при подаче на вход короткого  одиночного импульса. Идеал – если импульсная характеристика повторит импульс  на входе без изменений. Часто  же до и после импульса на выходе появляются всплески меньшей амплитуды. Такое поведение отклика фильтра  говорит о том, что на выходе акустической системы импульс тоже будет порождать паразитные колебания.

Переходная характеристика – выходной сигнал фильтра, который  является реакцией на входной сигнал типа ступенька (сигнал с нуля мгновенно  достигает некоторой амплитуды  и устанавливается на таком уровне). Такой импульс также может  порождать и порождает паразитные колебания. Естественно, это отразится  и на поведении АС, которая воспроизведет  и импульс, и паразитные колебания. Характеристика позволяет судить о когерентности системы.

Кумулятивное затухание  спектра (КЗС) – совокупность осевых АЧХ (АЧХ, измеренных на акустической оси  системы), полученных с определенным временным промежутком при затухании  единичного импульса и отраженных на одном трехмерном графике. Таким образом, по графику КЗС можно точно сказать, какие области спектра с какой скоростью будут затухать после импульса, то есть график позволяет выявлять запаздывающие резонансы АС.

Если КЗС имеет много  резонансов после верхней середины, то такая акустика субъективно будет  звучать "грязно", "с песочком на ВЧ" и т.д.

Импеданс АС – это полное электрическое сопротивление АС, включая сопротивления элементов  фильтра (комплексная величина). Это  сопротивление содержит в себе не только активное сопротивление, но и  реактивные сопротивления емкостей и индуктивностей. Так как реактивное сопротивление зависит от частоты, то и импеданс целиком подчиняется также ей.

Если говорят об импедансе, как о численной величине, начисто  лишенной комплексности, то высказываются о его модуле.

График импеданса трехмерный (амплитуда-фаза-частота). Обычно рассматриваются  его проекции на плоскости амплитуда-частота  и фаза-частота. Если объединить эти  два графика, то получится график Боде. А проекция амплитуда-фаза – график Найквиста.

Учитывая то, что импеданс зависит от частоты и не постоянен, по нему можно легко определить, какую сложность представляет собой  акустика для усилителя. Также по графику можно сказать, какая  это акустика (ЗЯ – закрытый ящик), ФИ (с фазоинвертором), как будут  воспроизводиться отдельные участки диапазона.

Когерентность – согласованное  протекание нескольких колебательных  или волновых процессов во времени. Означает, что сигнал от разных ГГ акустических систем придет к слушателю одновременно, то есть говорит о сохранности фазовой информации.

 

2.1 Мощность

О ней можно говорить очень  долго, так как видов измеряемых мощностей динамиков много.

Несколько аксиом:

• громкость не зависит только от мощности. Она зависит также от чувствительности самого динамика. А для акустической системы чувствительность определяется чувствительностью самого большого динамика, так как он и есть самый чувствительный;
• указанная максимальная мощность не означает, что можно подать ее на систему и колонки будут отлично играть. Все как раз неприятней. Максимальная мощность в течение длительного времени с высокой вероятностью чего-нибудь повредит в динамике. Мощность следует понимать, как недостижимую границу. Только меньше. Не равно и уж тем более – больше;
• при максимальной или близкой к ней мощности система будет играть на редкость плохо, потому что искажения вырастут до совершенно неприличных значений.

Мощность акустической системы  бывает электрической и акустической. Акустическую мощность увидеть на коробке  с акустикой нереально. Видимо, чтобы  не отпугнуть клиента маленькой  цифрой. Дело в том, что КПД (коэффициент  полезного действия) ГГ (головки  громкоговорителя) в очень хорошем  случае достигает 1%. Обычное же значение лежит до 0.5%. Таким образом, акустическая мощность системы в идеале может  составить одну сотую его электрического потенциала. Все остальное рассеивается в виде тепла, тратится на преодоление  упругих и вязких сил динамика.

 

Основные виды мощностей, которые можно увидеть на акустике, такие: RMS, PMPO. Это электрические мощности.

RMS (RootMeanSquared – среднеквадратичное  значение) – усредненное значение  подводимой электрической мощности. Мощность, измеренная таким образом,  имеет смысловую нагрузку. Измеряется  подачей синусоиды с частотой 1000 Гц, ограничена сверху заданным  значением КНИ (THD). Обязательно  необходимо изучить, какой же  уровень нелинейных искажений  производитель считал допустимым, чтобы не обмануться. Может оказаться  так, что система заявлена в  20 Ватт на канал, но измерения  проведены при 10% КНИ. В итоге  слушать акустику на данной  мощности невозможно. Также на RMS-мощности  колонки могут играть длительное время.

PMPO (PeakMusicPowerOutput – пиковая  выходная музыкальная мощность). Какая польза от того, узнает  ли человек о том, что его  система, возможно, перенесет коротенький,  меньше секунды, синус низкой  частоты с большой мощностью?  Тем не менее, производители  очень любят этот параметр. Ведь  на пластиковых колоночках размером  с детский кулачок может стоять  гордая цифра 100 Ватт. Здоровые  коробки советских С-90 и рядом  не валялись! :) Как ни странно,  к реальной PMPO такие цифры имеют  очень отдаленное отношение. Эмпирическим  путем (исходя из опыта и  наблюдений) можно получить приблизительно  реальные ватты. Возьмем Genius SPG-06 для примера (PMPO-120 Ватт). Надо PMPO разделить  на 10 (12 Ватт) и на 2 (число каналов). На выходе – 6 Ватт, что похоже  на реальный показатель. Еще раз:  этот метод не научный, а  основан на наблюдениях автора. Обычно работает. Реально этот  параметр не так и велик,  а огромные цифры основаны  только на бурной фантазии  маркетингового отдела.

 

2.2 Параметры Тиля-Смолла

«Параметры Тиля-Смолла» — это набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки (динамика) в области низких частот.

Эти параметры полностью  описывают динамик. Есть параметры  как конструктивные (площадь, масса  подвижной системы) (рис.2.1), так и неконструктивные (которые следуют из конструктивных). Их всего 15 штук. Для того чтобы примерно представить себе, что за динамик работает в колонке, достаточно четырех из них.

Рис.2.1_Параметры Тиля-Смолла

Резонансная частота динамика – частота резонанса динамика, работающего без акустического оформления. Зависит от массы подвижной системы и жесткости подвеса. Важно знать, так как ниже резонансной частоты динамик практически не звучит (уровень звукового давления сильно и резко падает).

Эквивалентный объем – полезный объем корпуса, нужный для работы динамика. Зависит только от площади диффузора (Sd) и гибкости подвеса. Важен потому, что, работая, динамик опирается не только на подвес, но и на воздух внутри ящика. Если давление будет не таким, какое нужно, то не видать идеальной работы динамика.

Полная добротность – соотношение упругих и вязких сил в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Чем выше добротность, тем выше упругость в динамике и тем более охотно он звучит на резонансной частоте. Складывается из механической и электрической добротностей. Механическая – это упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы. Как ни привычно, но именно гофр оказывает большую упругость, а не внешние подвесы. Механическая добротность – 10-15% полной добротности. Все остальное – электрическая добротность, образованная магнитом и катушкой динамика.

Сопротивление постоянному  току. Пояснять особо как-то здесь и нечего. Сопротивление обмотки головки постоянному току.

Механическая добротность – отношение упругих и вязких сил динамика, упругость считается только механических элементов динамика. Складывается из упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы.

Электрическая добротность  – отношение упругих и вязких сил динамика, упругие силы возникают в электрической части динамика (магнит и катушка).

Площадь диффузора – меряется, грубо говоря, линейкой. Никакого тайного смысла не имеет.

Чувствительность – уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем. Измеряется на расстоянии 1 метра при подводимой мощности 1 Ватт и частоте 1 кГц (обычно). Чем выше чувствительность, тем громче играет система. В двух- и более полосной системе чувствительность равна SPL самого чувствительного динамика (обычно это басовый лопух).

Индуктивность – это индуктивность катушки динамика.

Импеданст – комплексная характеристика, которая появляется не на постоянном токе, а на переменном. Дело в том, что в таком случае, реактивные элементы начинают вдруг сопротивляться току. Сопротивление зависит от частоты. Таким образом, импеданс – отношение комплексной амплитуды напряжения и комплексной силы тока на определенной частоте. (Комплексное сопротивление, зависящее от частоты, другими словами).

Пиковая мощность – это PMPO, которая рассмотрена выше.

Масса подвижной системы  – эффективная масса подвижной системы, которая включает в себя массу диффузора и колеблющегося вместе с ним воздуха.

Относительная жесткость – гибкость подвижной системы головки громкоговорителя, смещение под воздействием механической нагрузки (например, пальца, который целится потыкать динамик). Чем больше параметр, тем мягче подвес.

Механическое сопротивление – активное механическое сопротивление головки. Все, что может оказать механическое сопротивление в головке, сюда входит.

Двигательная мощность – значение плотности магнитного потока, умноженного на длину провода в катушке. Также этот параметр называется силовым фактором динамика. Можно сказать, что это та мощность, которая будет действовать на диффузор со стороны магнита.

Все перечисленные параметры  тесно взаимосвязаны. Это довольно очевидно из определений. Вот основные зависимости:

Fs растет при увеличении  жесткости подвеса и падает  с увеличением массы подвижной системы;

Vas уменьшается при увеличении  жесткости подвеса и растет  с увеличением площади диффузора;

Qts растет при увеличении  жесткости подвеса и массы  подвижной системы и падает при увеличении мощности BL (рис.2.2, таблица 2.1).

Рис.2.2_Измерение параметров Тиля-Смолла

Таблица 2.1_Параметры Тиля-Смолла

Название	Обозначение	Единицы измерения
Резонансная частота динамика	Fs	Гц
Эквивалентный объем	Vas	Литры
Полная добротность	Qts	-
Сопротивление постоянному току	Re	Ом
Механическая добротность	Qms	-
Электрическая добротность	Qes	-
Площадь диффузора	Sd	м2
Чувствительность	SPL	дБ
Индуктивность	Le	Генри
Импеданс	Z	Ом
Пиковая мощность	Pe	Ватт
Масса подвижной системы	Mms	г
Относительная жесткость	Cms	м/Н
Механическое сопротивление	Rms	кг/сек
Двигательная мощность	BL	-