Современные акустические системы

Выбор акустических систем для дома или студии обычно является несложным процессом. Ключевыми факторами являются: цена, внешнее исполнение и пять-десять характеристик, приведенных в спецификации. Плюс к этому чтение сравнительного обзора в каком-либо издании. На самом деле, все не так и просто.

Базовый принцип построения современных систем звукозаписи и воспроизведения

На современном этапе можно отметить, что тракты звукозаписи и воспроизведения зеркальны не только иерархически, но и технологически. Если бы мы рассматривали микрофоны, как устройства преобразования акустических изменений в изменения аналогового сигнала, то непременно отметили бы, что основные типы этих преобразований - электродинамический и электростатический.

Микрофоны - это первый элемент в тракте звукозаписи, акустические системы - это последний в тракте воспроизведения и в них используются эти же два типа преобразований. Данное подобие можно найти в любых "параллельных" элементах современных звуковых трактов. Например, на аналого-цифровом уровне - это АЦП (аналого-цифровой преобразователь) для записи и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) для воспроизведения. Конечно, как вы понимаете, существуют и отличия, выраженные в специфике того или иного структурного элемента. Для акустических систем это особенно важно понимать, поскольку именно в них мы сталкиваемся с рядом проблем линейного отображения звукового сигнала в акустическом пространстве, и конструктивно АС сложнее микрофонов.

Основные характеристики АС

Понятие акустических систем подразумевает целый класс устройств, основанных на базе одного или нескольких преобразователей изменения аналогового сигнала в изменения звукового давления (акустические колебания) в воздушной среде. Как это происходит, мы рассмотрим чуть позже на примере нескольких основных типов громкоговорителей, применяемых в современной индустрии.

АС являются последней цепочкой звуковоспроизводящих трактов. Их можно разделить по предназначению (студийные мониторы, головные телефоны (наушники), домашние акустические системы, трансляционные системы и т.п.), способам преобразования (электродинамические, электростатические), по виду излучения (непосредственного излучения и рупорные), по потребляемой электрической мощности, диапазону частот, конструктивным особенностям и так далее.

При этом стоит отметить, что деление АС по предназначению предусматривает наличие более узкой специализации. Например, студийные мониторы бывают ближнего, среднего и дальнего поля, наушники - закрытого и открытого типа, "беруши", и так далее.

АС применяются практически во всех сферах человеческой деятельности, начиная от обычных телевизоров, и заканчивая телефонией. При этом производители всегда следят за соотношением цена/качество, и в зависимости от предназначения выпускаемой продукции применяют различные технологии.

Основные параметры АС и громкоговорителей:

• Номинальная мощность - электрическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не превышают требуемые для заданного технологического стандарта.
• Номинальное сопротивление - активное электрическое сопротивление при заданной мощности.
• Частотный диапазон устройства.
• Частотная характеристика по звуковому давлению - зависимость уровня звукового давления от частоты, выраженное в графической либо численной форме.
• Характеристическая чувствительность - усредненное значение звукового давления, высчитывается для условий: расстояние до громкоговорителя равна 1 м, а приложенная электрическая мощность - 1 Вт.
• Неравномерность частотной характеристики звукового давления - разность между максимальным и минимальным уровнями звукового давления.
• Диаграммы направленности для заданных частот или полос - графическое отображение распределение звуковых волн от громкоговорителя в окружающем акустическом пространстве.
• Коэффициент полезного действия - процентное соотношение приложенной электрической мощности и получаемой акустической на заданной полосе частот.
• Коэффициэнт нелинейных искажений (THD) - описывает общие гармонические искажения.

Основной задачей электроакустических преобразователей является осуществление максимально линейной зависимости между изменениями электрического сигнала и формируемыми изменениями звукового давления. Но практически все современные модели далеки от идеала и являются нелинейными. Реализация качественной "линейности" стоит очень больших денег.

Зависимость звукового давления от частоты

На графике отображено отличие реальной картины от идеальной.

Электродинамические головки

Современные реализации электродинамических громкоговорителей от разных производителей имеют различные конструктивные особенности. На базе описания стандартной электродинамической головки прямого излучения (рисунок) мы рассмотрим базовые конструктивные особенности этого типа громкоговорителей.

Диффузор представляет из себя отлитую из бумаги или другого специального материала форму в виде конуса с круглым либо эллиптическим основанием, при этом в основании могут использовать и любую другую образующую (прямую, криволинейную). Конусная форма выгодна с точки зрения придания диффузору жесткости. Для реализации качественного воспроизведения очень важно, чтобы диффузор мог смещаться только в одной осевой плоскости.

Со стороны основания диффузор крепится к диффузодержателю с помощью гофрированного верхнего подвеса. Использование последнего очень выгодно, поскольку позволяет качественно увеличить динамический диапазон. Со стороны вершины конус крепится к центрирующей шайбе, которая также обычно сделана из гофрированной бумаги либо картона. Таким образом, получается, что диффузор плотно зажат между гофрированными элементами и может производить смещение только в одной осевой плоскости.

Диффузодержатель несет в себе основополагающие конструктивные особенности. Обычно он выполнен с отверстиями (окнами), что препятствует образованию стоячих волн с тыльной стороны диффузора. Электромагнитная часть не представляет ничего сложного в объяснении процесса электроакустического преобразования. В воздушном зазоре магнитопороводом, состоящим из керна (стержня), кольцевого магнита, верхнего и нижнего фланцев создается постоянный магнитный поток, движущийся в радиальном направлении.

С диффузором соединена звуковая катушка, на которую подается переменное напряжение звуковой частоты. Обычно катушка предусматривает четное количество витков, для того, чтобы оба ее конца находились с одной стороны. По особо гибким проводникам звуковой катушки проходит ток, который взаимодействует с постоянным магнитным полем, в результате чего создается движущая электродинамическая сила, заставляющая смещаться саму катушку и диффузор, скрепленный с нею. Данная сила вычисляется по закону Био-Савара:
F=B*l*I,
где В-индукция в зазоре; l-длина провода звуковой катушки, I - сила тока.

Еще одним важным конструктивным элементом современной электродинамической головки является противопылевой колпачок, который несет в себе сразу несколько функций. Поскольку он может быть выполнен и из акустически непрозрачного жесткого материала (как частный случай), то может быть задействован как высокочастотный излучатель. В этом случае конструкция должна предусматривать в звуковой катушке наличие антикомпрессионных отверстий для предотвращения колебаний диффузора под колпачком при больших амплитудах.

Если говорить о конструктивных особенностях от разных производителей, то стоит отметить, что применяются различные типы катушек, варианты их размещения, наличие радиаторов для отвода тепла и так далее. Помимо этого бывают громкоговорители сразу с двумя диффузорами, прикрепленными к одной и той же звуковой катушке.

Механическое сопротивление электродинамической головки

Подвижная механическая система электродинамической головки заключает в себе совокупность элементов, участвующих в ее движении, среди которых можно перечислить диффузор, звуковую катушку и соколеблющиеся элементы, такие как гофрированный верхний подвес и центрирующая шайба. При этом важными параметрами, определяющими механическое движение, будут массы этих элементов, внутреннее трение, сопротивления излучения диффузора и среды. Эти характеристики непосредственно влияют на КПД громкоговорителя.

Следует отметить, что при больших амплитудах меняются параметры гибкости верхнего подвеса и центрирующей шайбы, что приводит к нелинейным искажениям.

Нелинейные искажения в электродинамических головках

На рисунке показан увеличенный вариант нашего первого рисунка, и теперь мы сможем внимательнее рассмотреть суть происходящих процессов. Совсем не сложно заметить, что в рамках зазора магнитные линии распределены равномерно. Но электродинамическая сила заставляет смещаться звуковую катушку за его границы, тогда некоторые витки этой катушки попадают в более слабое магнитное поле, и в этих участках средняя электродинамическая сила, которую мы вычисляли по закону Био-Савара (F=B*l*I) объективно уменьшится. Эти участки также называют зонами ослабленной индукции. В результате мы получаем изменение формы волны звукового давления. В варианте обычной синусоиды мы получим результат, представленный на графике.

Это еще полбеды, но мы ведь всегда имеем дело со звуковым сигналом, состоящим из множества частот. Расширив данный пример, давайте посмотрим, как будут взаимодействовать низкие и высокие частоты. Примем за внимание тот факт, что для амплитуд низкочастотного сигнала требуется большее смещение звуковой катушки и диффузора, во время которого высокочастотный сигнал будет находиться в зоне ослабленной индукции.

Таким образом, мы получаем своеобразную амплитудную модуляцию (рисунок), в результате которой появляются дополнительные частоты, которых не присутствовало в исходном сигнале.

Появление дополнительных частот предвосхищает появление нелинейных искажений. Для предотвращения этого неприятного явления намотку катушки делают больше зазора, что позволяют сделать изменения средней электродинамической силы менее значительными.

Второй причиной появления нелинейных искажений можно считать формирование изгибов конусной поверхности диффузора. То есть, смещаясь только по одной осевой плоскости конус может выгибаться в две стороны как показано на рисунке.

В результате добавляются частоты, в два раза меньшие, чем частоты исходного сигнала. Объяснить это явление достаточно просто: за один период частоты, конус выгибается в одну из сторон, а потом возвращается в исходное состояние, в следующий период частоты он выгибается в другую сторону и возвращается в исходное состояние. Данная проблема решается, или почти решается, с применением форм диффузоров с криволинейной образующей поверхности конуса.

Ну и третью причину появления нелинейных искажений мы затронули чуть раньше - при больших амплитудах меняются параметры гибкости верхнего подвеса и центрирующей шайбы.

Выводы из вышеизложенного

Как вы смогли увидеть, проблем в обеспечении линейности преобразования характеристик масса, причем мы остановились только на нескольких из них. И каждый производитель пытается решить их самостоятельно с учетом последних разработок в данной области. Причем ноу-хау часто заключается не только в применении определенных конструкций, но и специальных материалов для составных элементов. Возвращаясь к понятию "стандартов" следует отметить, что высокая цена на качественные АС для студийного мониторинга полностью оправдана.

Рупорные громкоговорители

Рупорные громкоговорители появились как вариант увеличения КПД электродинамических громкоговорителей, значение которого у последних обычно составляет 1 - 2% (в некоторых источниках указывается разбежка 0,5 - 5%).

Такой низкий коэффициент объясняется присутствием механического сопротивления в механических элементах и сопротивлением среды.

На этом этапе стоит разделить процессы преобразования в громкоговорителях на два ключевых: (1) преобразование механических колебаний в акустические и (2) излучение колебаний в окружающую среду. В рупорных громкоговорителях электродинамическая головка отвечает за первый процесс, а рупор - за второй. По сути, рупор - эта труба с жесткими стенками и сечением, изменяющимся от минимального до максимального своего значения по определенному закону (чаще всего по экспоненте). Эквивалентом излучателя в данном случае является слой воздуха в выходном отверстии, сечение которого можно сделать достаточно большим.

Помимо этого в конструкциях рупоров предусмотрена предрупорная камера, работающая как трансформатор в условиях, когда сечение поверхности диафрагмы Sд больше, чем входное сечение рупора So. Таким образом, коэффициент трансформации равен отношению Sд/So и всегда является большим единицы. КПД таких громкоговорителей достигает 15-20%, что гораздо лучше, чем у электродинамических головок (1 - 2%). Данный тип рупорных громкоговорителей называется узкогорлыми.

Помимо этого, существуют громкоговорители без предрупорной камеры, где Sд равен или близко равен So. Данный тип рупорных громкоговорителей называется широкогорлыми. Соответственно КПД у них находится в среднем диапазоне - 7 - 10%.

Рупорные громкоговорители могут применяться в качестве составных элементов для многополосных АС.

Электростатические громкоговорители

Открыв любое советское или постсоветское издание по этой теме вы можете столкнуться с подобным определением: "электростатические громкоговорители разделяются на три основных типа: конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические". Так ли это?

Конденсаторные… это название весьма условно, поскольку все преобразователи из данного раздела используют принцип преобразования звукового напряжения в изменения положения движущегося электрода в условиях заданной емкости. Поэтому разделение такого плана весьма условно и описывает лишь способ достижения заданной цели, а не некий глобальный принцип.

Суть конденсаторных электроакустических преобразователей, описанных в данной литературе и долгое время использующихся на практике, заключается в следующем: мы имеем в наличие две обкладки конденсатора - неподвижную массивную (ребристая полуцилиндрическая металлическая поверхность) и гибкую (пленка с нанесенным металлическим слоем с наружной стороны либо металлическая фольга с диэлектриком с внутренней стороны).

Пленка одевается на полуцилиндр как чулок, а натягивающий винт (или система винтов с гайкой) позволяет оптимально отрегулировать первоначальное механическое натяжение пленки.

Вся приведенная система в рабочем виде представляет собой конденсатор, на обкладки которого подается два напряжения. Первое Uo задает начальное натяжение пленки. При подаче дополнительного переменного звукового напряжения U~, емкость конденсатора будет постоянно меняться и пленка будет натягиваться то сильнее, то слабее.

Конденсаторные громкоговорители обладают очень хорошей характеристикой линейности, но имеется небольшая тонкость - чем больше емкость, тем лучше эффективность излучения низких частот. А емкость находится в прямой зависимости от размера обкладок данного конденсатора. Реализация больших размеров обкладок затруднительна, поэтому конденсаторные громкоговорители в таком виде применяются в качестве высокочастотных составляющих акустических систем (от 5-7 КГц до 20 КГц).

Электретные громкоговорители схожи по структуре с обычными конденсаторными, за исключением того, что в них используется уже заранее наэлектризованная пленка (электретная пленка). Они имеют такие же характеристики как и в первом случае, за исключением того, что наэлектризованность пленки со временем уменьшается и требуется ее замена либо повторная поляризация.

Пьезоэлектрические громкоговорители имеют несколько другой принцип работы. В них используются пластины, изготовленные из специального материала (сегнетовой соли или пьезокерамики). Край такой пластины скрепляется с диффузором, электромеханическое преобразование происходит также как и в конденсаторных громкоговорителях, и параметры этого преобразования для обоих случаев идентичны. Но на этом положительные стороны заканчиваются… имеются большое количество нелинейных искажений и значительная неравномерность АЧХ. Используемые материалы также обладают недостатками, например, пьезокерамика имеет низкую чувствительность, а сегнетовая соль чувствительна к климатическим условиям и воздействиям внешней среды. Это несомненно ограничивает использование пьезоэлектрических громкоговорителей на практике.

Электростатические громкоговорители-2

Мы живем в 2004 году, и изложенное в предыдущем разделе уже вошло практически во все книги, описывающие основные устройства воспроизведения. Но сегодня применяется очень много и других способов реализации электростатических громкоговорителей, часть из которых прячется за закрытыми патентами и ноу-хау. Например, сейчас под электростатическими громкоговорителями часто подразумевают технологии, основанные на взаимодействии статических зарядов, описать которые можно следующим образом. В качестве мембраны в таких устройствах используется очень тонкая полимерная пленка (10-15 микрон) с нанесенным проводящим слоем. Масса этой пленки соизмерима с массой колеблющегося воздуха, а следовательно мембрана обладает предельно малой инерционностью, что позволяет системе очень точно передавать широкий (!) диапазон частот с минимумом искажений. Полимерная пленка натянута между двумя перфорированными пластинами, на которые через трансформатор от усилителя подается звуковой сигнал. На проводящий слой мембраны подается напряжение порядка нескольких кВ. В результате взаимодействия заряда на пленке и звукового напряжения мембрана начинает двигаться со звуковой частотой.

У данной технологии уже есть много вариаций от различных разработчиков. В качестве примера приведем продукцию голландской компании Final.