Аудио-кулибиным на заметку

На Руси никогда не переводились умельцы-самородки: Кулибин, Черепанов...
А сколько безызвестных! Подковать блоху аль смастерить паровую машину...
Да что угодно – тогда и поныне «голь на выдумку хитра».

В целях усовершенствования недорогой покупной акустической мультимедиа-системы можно идти разными путями. Первый заключается в переделке корпуса – она по силам многим "механикам", в домашнем арсенале которых дрель, напильник да пила. Второй – в модернизации усилителя мощности и в улучшении разделительных фильтров: тут без хороших радиодеталей и дружных с паяльником рук «и ни туды, и ни сюды». Третий путь – наступление с двух направлений одновременно – требует сплава умения и знаний, а также недюжинного опыта. Рассмотрим первый подход – как наиболее доступный. Сразу предупреждаю: не затуманенные дурью мозги и школьный курс физики потребуются.

Зачем переделывать корпус, если обученные инженеры-разработчики наверняка всю физику-акустику уже высчитали и размеры ящика колонки оптимизировали? – спросите вы, и будете правы лишь в том, что этим вопросом следует задаться в первую очередь. Замечу – здесь и далее по тексту под корпусом имеется в виду акустическое оформление, включающее в себя не только размеры, материалы и формы ящика, но и другие акустические элементы – например, фазоинвертор, который лихо добавляет ж а ру на басах. Сегодня абсолютное большинство колонок, включая дорогущие Hi-Fi, выпускается, будучи пробуравленными фазоинверторами. В демократичной мультимедиа-акустике порты фазоинверторов представляют собой простейшие трубки, как правило, пластмассовые. Одним концом трубка выходит наружу, а другим – уходит в глубь корпуса. Такая вот вентиляционная дыра получается. О коварстве фазоинвертора уже был разговор ранее, так что сейчас продолжим его в новом свете.

Вместо теории

Так вот, инженеры-фирмачи, может быть, что-то и высчитывали, но руководствовались они, прежде всего, указанием свыше вписаться в требуемую себестоимость. К примеру, чтобы отпускная цена разрабатываемой акустики ни в коем случае не перешагнула 50 у.е. А изготовление правильного акустического оформления - дело хлопотное, влетающее в копеечку.

Если следовать канонам создания акустических систем, сначала выбирается низкочастотный динамик, экспериментально определяются упругость и гибкость его подвижной системы (самого подвеса и центрирующей гофрированной шайбы вместе взятых), затем вычисляются оптимальная упругость и гибкость воздуха в ящике и эффективный диаметр диффузора, после чего по некой эмпирической номограмме находится объём ящика. Иногда для прикидки объема закрытого ящика (в литрах) пользуются формулой ¹:

где:

• D_эфф = (0,76..0,82)D_ном – диаметр диффузора в сантиметрах без гофра подвеса;
• с_я – гибкость воздуха в ящике (метр на Ньютон). Забегая наперед, отмечу, что для фазоинвертора типа "пассивный излучатель", не склонного к бубнению, эта составляющая равна примерно 0,7 от гибкости подвижной системы выбранного басового динамика ¹.

Альтернативная методика нахождения объема пляшет от определения частоты собственного резонанса динамика.

Ясно, что чем больше диаметр низкочастотного диффузора, тем больше должен быть ящик. С гибкостью воздуха в ящике (которая обратно пропорциональна упругости) все гораздо сложнее. Дело в том, что резонансная частота динамика изменяется после установки его в конкретный корпус, который имеет свою частоту основного резонанса. Если прикинуть упрощенно, то получается – чем мягче подвес диффузора, тем меньшего объема (в определенных пределах) можно сделать ящик колонки без нежелательных последствий для звука. Говоря о гибкости подвеса динамика, часто забывают о том, что она складывается из гибкости подвеса диффузора и гибкости центрирующей гофрированной шайбы, которая не дает катушке тереться о стенки магнита.

Зная оптимальный объем ящика акустической системы, получаем возможность поиграться его размерами и формой.

Как правило, подобные «игры» на производстве недорогой мультимедийной акустики происходят жестким присмотром технологов. Вот так будем пилить – и все! Потому что так обрезков меньше! А вот так скреплять! И ни одним шурупом, ни каплей клея больше! А то вдруг «не в духах» босс нагрянет и раздаст всем тумаков с ЦэУ в придачу – мол, тут пошире, тут поуже, а енту дырку вот здесь просверлить. И вообще, побольше-посолиднее соорудить, чтоб внушительнее (читай, дороже) смотрелось – раз плюнуть, а вот компактные качественные колонки – задачка многим не по зубам... Ну, и распилят-просверлят-соорудят, куда деваться-то, чай не эксклюзив за 1000 долларов за штуку, чтоб все по науке обосновывать.

Существует мнение о классическом соотношении размеров прямоугольного ящика: ширина – 1.41, глубина – 1, высота  - 2 ^1 2. Раньше не рекомендовали применять ящик, один из размеров которого превышает другой размер более чем в 3 раза (многие современные напольные Hi-Fi-колонки это игнорируют). Однако любой строго прямоугольный изнутри ящик неизбежно вносит ряд противных резонансов-горбов (~10 дБ от 100 до 8000 Гц) в АЧХ акустической системы, с которыми потом очень тяжело и дорого бороться «электрическими» методами. Обычно резонансы глушат, распихивая по углам колонки что-нибудь мягкое звукопоглощающее, но при этом уменьшается свободный объем. Самый примитивный ящик – с точки зрения привносимых резонансов – кубический, с равными размерами. Зато у него минимальная площадь поверхности стенок, а значит, максимальная экономия древесного материала при распилке. Идеальным в плане резонансов является шарообразный корпус-ящик. Гораздо меньше искажает частотный отклик прямоугольный ящик со скошенной по периметру передней частью (в своем роде приближение к сфере). Загвоздка в том, что изготовлять подобные корпуса из древесных материалов очень не технологично: много затрат. Скругленные внешние края (их благодатное влияние довольно скромно, да и то, в основном, на средние частоты) – еще делают, но не более.

Корпуса из технологичной (штампуй иль выдувай с тонкими стенками) пластмассы не способны обеспечить нужных акустических свойств. Сделать пластмассовую стенку толщиной, например, 2 сантиметра уже не так просто, как кажется, а главное – все равно "не в коня корм".

Как уже говорилось, чтобы компактная колонка мощнее зазвучала на басах, приходится городить фазоинвертор. Обычно он оформляется  в виде врезанной в корпус трубы, причем не обязательно строго цилиндрической формы. По физической сути к фазоинвертору довольно близок пассивный излучатель типа мембраны на гибком подвесе, но расчет-настройка будут сложнее. Размеры фазоинвертора круглого сечения определяются, исходя из свободного объема (литражности) ящика и задаваемой резонансной частоты самого инвертора по неким, увы, эмпирическим номограммам. То есть точный аналитический расчет простейшего фазоинвертора настолько сложен, что, образно говоря, является причиной зубной боли даже для зубров акустики.

Один из полуэмпирических расчетов фазоинвертора основан на определении акустической массы инвертора, которая вместе с гибкостью свободного объема ящика резонирует на частоте fb ¹:

 где:
• L - кажущаяся длина фазоинвертора (включает толщину передней стенки и обычно превышает истинную длину круглой трубы где-то в полтора раза),
• S - площадь выходного отверстия,
• V - свободный объем ящика (за вычетом объема самого фазоинвертора)

Всё подставляется в единицах измерения СИ. С помощью этой формулы оценивают отношение длины к площади фазоинвертора, пренебрегая вычислением свободного объема и задавая просто внутренний объем ящика. Оценив размеры фазоинвертора, расчет уточняют.

Необходимо подчеркнуть, что строгое аналитическое решение очень сложно (а для нестационарных "прыжков" звукового сигнала и подавно), поэтому при расчетах пользуются разного рода допущениями.

Итак, чем меньше частота настройки фазоинвертора, тем меньше должен быть его диаметр (или тем больше длина). Диаметр не должен быть слишком малым, иначе могут возникнуть нелинейные искажения и призвуки. Если порт фазоинвертора делается некруглого сечения – например, щелевидный, – то, вероятно, придется прибегнуть к сложному профилированию со стороны входа. Обычно площадь проходного сечения фазоинвертора составляет 0.25 – 1.0 от эффективной площади диффузора. Диаметр фазоинверторной трубы стараются выбрать из верхнего предела, то есть как можно более близким к эффективному диаметру диффузора.

Если частота конструируемого фазоинвертора безапелляционно задана в требованиях свыше (или не может быть изменена по другим соображениям), то с увеличением его диаметра приходится увеличивать длину трубы. Большую длинную трубу проблематично втиснуть в ящик (нужен запас как минимум в 40 миллиметров), ведь его объем фактически уже зафиксирован выбранным динамиком. Более того, слишком длинная труба фазоинвертора может привести к увеличению неравномерности частотной характеристики акустической системы.

Кстати, следует различать понятия резонансной частоты ящика и резонансной частоты фазоинвертора. Чем меньше отношение гибкости воздуха в ящике к гибкости подвижной системы динамика, тем выше резонансная частота фазоинвертора будущей колонки по отношению к основному резонансу подвижной системы. То есть, если задать объем меньше, чем нужно, это приведет к повышению упругости воздуха в ящике и, следовательно, повышению резонанса колонки, выражающемуся в гулкости и акцентировании верхних басов.

Пассивный излучатель нетрудно сделать из старого динамика, близкого по площади к диффузору рабочего низкочастотника. Настройку же проводить изменением присоединенной массы (десятки граммов).

При необходимости свободный объем корректируют заполнением части ящика не поглощающим звук материалом (например, пенопластом), или наоборот, облицуют стенки ящика звукопоглотителем (поролон, вата). Но шибко увлекаться подобной корректировкой не следует.

Немного практических советов

Частоту фазоинвертора в самопальном корпусе легко подстроить (в том числе, под конкретное помещение или индивидуальные пристрастия), вырезав трубу из картона с запасом по длине и постепенно укорачивая ее, согласуясь со слуховыми ощущениями.

Согласно некоторым маститым рекомендациям, при расположении порта фазоинвертора на передней панели вместе с динамиками расстояние между ним и краями динамиков должно быть не менее 80 – 100 мм. Наверное, именно поэтому так любят размещать порт на тыльной стороне колонки, ведь тогда вырисовывается экономия от более компактной лицевой панели. Однако существуют удачные решения, когда при определенных ухищрениях порт фазоинвертора буквально окружает басовый динамик. Хорошо зарекомендовали себя фазоинверторы, порт которых выведен либо на верхнюю, либо на нижнюю часть корпуса. Аналогично и для пассивного излучателя: например, Philips ныне умудряется делать супербасовитыми очень маленькие по объему колонки с верхним WOOX-излучателем.

Фазоинвертор стараются настроить так, чтобы его резонансная частота не отличалась от собственной резонансной частоты динамика (в свободном воздухе) более чем на 1/3 октавы, а еще лучше, чтобы совпадала. Но при этом следует учитывать зависимость от так называемой полной добротности динамика, являющейся ключевым параметром для всех расчетов и методик.

Программы расчета

В Интернете накопилось множество программ, значительно облегчающих жизнь начинающему аудио-кулибину. Большая часть из них – заброшенные бесплатные (например, BlauBox.exe под DOS), поддерживаемые платные (www.trueaudio.com) или «шароварные», то есть условно платные. Из наиболее доступных очень популярна JBL SpeakerShop. Чуть ли не десять лет назад многоуважаемая фирма явила миру серьёзную программу и стала задарма раздавать налево и направо. Теперь эту программу просто так не заполучить (не ищите на www.jblpro.com), но поиск в Рамблере приведет вас к десяткам живых ссылок и тысячам умерших. Упакованный дистрибутив (jblspkrshp.zip) занимает 2.37 Мб - вполне терпимо.

Для выполнения прикидочного (что называется, в первом приближении) расчета колонки с фазоинвертором необходимо знать три параметра:

• Собственную резонансную частоту басового динамика при его колебаниях в открытом воздухе (Fs).
• Эквивалентный объем данного динамика (Vas) в литрах.
• Демпфер-фактор или, другими словами, полную добротность динамика (Qts).

Кстати, если басовых динамиков в колонке несколько (одинаковых, как в MicroLab Solo-3), то программа позволяет внести соответствующие коррективы. В программе имеется встроенная база данных параметров распространенных фирменных динамиков. В том случае когда информации о вышеперечисленных параметрах нет, придется либо измерить их самостоятельно (например, по журнальной статье Эфрусси, по книге Алдошиной или откопав методику где-нибудь на www.radioland.net.ua), либо поискать результаты сторонних измерений (рекомендую http://audiotest.ru; кстати, там можно найти рецепты значительного улучшения разделительных фильтров для Solo-2, Defender 50 – буквально за копейки).

Далее выбирается стратегия расчета. Первая состоит в подгонке размеров корпуса под конкретный басовый динамик. Вторая – в подборе динамика под существующий корпус. Нас интересует первая. Программа позволяет высчитать необходимое не только для фазоинверторного варианта (vented box), сравнив его с наглухо закрытым корпусом (closed box), но и посчитать варианты с пассивным излучателем (passive radiator) и разнообразные сабвуферные (band-pass). Правда, в последних двух случаях потребуется знать дополнительные начальные параметры.

Создав новый проект и введя начальные параметры, автоматически получим оптимальный литраж корпуса (Vb), а также резонансную частоту (для варианта с фазоинвертором обозначается Fb, для закрытого корпуса Fc) и нижнюю граничную частоту, на которой АЧХ достигает спада – 3 дБ (F3). После того как для того или иного варианта мы кликнули на кнопке построения графика (plot), программа нарисует соответствующую АЧХ. Оптимальные варианты (optimum), предлагаемые программой, не есть заведомо абсолютный идеал. Пользователь (custom) волен-с вершить судьбу своего проекта, варьируя параметры – в частности, объем корпуса или его демпфирование (программа лишь приблизительно корректирует уменьшение внутреннего объема корпуса).

Целью варьирования обычно является максимальный подъем на низких частотах при стремлении выдержать оставшуюся часть АЧХ линейно ровной. Однако порой, чтобы придать яркости-красочности звучанию акустической системы, люди идут на хитрые зигзаги в АЧХ, отслеживая передаточную характеристику (увы, она измеряется вне JBL SpeakerShop). В этом-то и состоит вся соль или, говоря «по-англицки», state-of-the-art, искусство разработки акустики.

Затем, дорогие Кулибины, идем в раздел меню «Box» и жмем на опцию «Vent...». В открывшемся окне выбираем количество фазоинверторных портов (ограничение: идентичных и цилиндрических), а так же задаем диаметр (Dv) или площадь его проходного сечения. Программа выдаст оптимальную длину фазоинвертора (Lv) или даст возможность поварьировать диаметр и длину, если задана площадь. В случае если диаметр задан слишком малым, вместо результата будет выдано предупреждение. Судя по всему, расчет для фазоинвертора как такового производится довольно приблизительно.

Наконец, зайдя в опцию «Dimensions...», выбираем форму корпуса (заложено множество вариантов), а программа сама вычислит желательные размеры. Не ленитесь почитать-попереводить Help, благо в сей программе он обстоятельный.

JBL SpeakerShop предоставляет возможность более точного расчета, но для этого потребуются электромеханические параметры динамика. Прелесть данной программы – в возможности проектирования акустического оформления под конкретное помещение (или салон автомобиля), если, конечно, известен его частотный отклик.

Как бы ни хороша была расчетная программа, уповать на её безгрешность и прозорливость было бы наивным. Тем не менее подобные инструменты весьма и весьма полезны, а главное – позволяют избежать грубых ошибок.

P.S. Напоследок дам далеко идущий намек: самые мощные басы даст не фазоинвертор, а рупорная акустика, тогда как самые чистые - лабиринтная. Так что есть к чему стремиться!

1. Э.Л. Виноградова, "Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками" - М.: Энергия, 1978. - стр. 48  [вернуться]

2. М. Эфрусси, "Расчет громкоговорителей" - Радио № 4, 1977, стр. 39 [вернуться]