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.
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.
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:
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.
На графике отображено отличие реальной картины от идеальной.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
Эта линейка акустических систем от Final на массовом рынке появилась сравнительно недавно (в продаже с первого квартала 2003 года). При этом уже явно можно увидеть основные преимущества данных систем - хорошая линейность, практическое отсутствие искажений и других артефактов имеющихся в обычных АС, современный дизайн и малые габариты. Последний фактор немаловажен, поскольку сейчас в моде плазменные TV, проекторы и т.п. Небольшие габариты позволяют более эффективно использовать место при построении домашних кинотеатров.
Но цены на продукцию Final пока достаточно "кусачие" - от $2000 до $25000.
Очевидным является тот факт, что электростатические широкополосные громкоговорители уже пришли на рынок и заняли там свою нишу. Если обратиться к базовому принципу построения современных систем звукозаписи и воспроизведения, описанного в начале этой статьи, то эта ниша зеркальна с конденсаторными микрофонами (высокая цена/профессиональное качество). В принципе, сейчас мы говорим о массовой технологии ближайшего будущего. Но пока она дорого стоит, и пользователям с обычным кошельком не по карману. Поэтому мы вернемся к стандартным на сегодня решениям в области реализации пользовательских АС.
Как самый распространенный вариант современных АС являются колонки с несколькими головками, каждая из которых отвечает за воспроизведение определенного частотного диапазона. Принято разделять АС на двух- (с одной частотой раздела) и многополосные (две и более частоты раздела) системы. Недостатком всех этих систем является сам факт разделения и присутствия нескольких головок, хотя это позволяет получить приемлемые для заданного стандарта характеристики направленности, равномерности АЧХ, уровня искажений и т.п. Для такого разделения необходимо использование фильтров и корректирующих цепей. Вот тут-то один из главных камней преткновения.
В большинстве случаев реализаций частотного разделения мы сталкиваемся с аналоговыми фильтрами, которые сложны в проектировании и реализации, имеют достаточно низкую точность (по сравнению с цифровыми фильтрами) из-за допуска на элементы. На практике могут использоваться фильтры первого и более высоких порядков. Последние строятся на аппроксимации функций Баттерворта, Бесселя, Линквица-Райли, Чебышева, а также применяются множество ноу-хау от разных производителей. Фильтры высоких порядков имеют линейные (Баттерворта, Бесселя, Линквица-Райли) или волнообразные (Чебышева) АЧХ в зоне пропускания и резкий спад за ее границами.
При использовании фильтров первого порядка этот спад получается более пологим. В результате "пограничная" частотная зона, в которой головки работают совместно, является достаточно широкой, что ведет к неотложному решению новой важной проблемы - точное временное согласование работы головок. В результате, конструкторы часто стоят перед выбором, а иногда и комбинируют эти варианты (например на НЧ/СЧ-головку - фильтр высокого порядка, а на ВЧ - первого).
Для обеспечения качественной фильтрации, взаимодействий полос и взаимодействия "фильтр-головка" применяются специальные корректирующие цепи, которые разрабатываются отдельно.
Помимо этого сейчас распространены многополосные активные системы с несколькими усилителями, каждый из которых отвечает за определенную полосу. Там существует своя схематика и принципы взаимодействий.
Как многие из вас знают, со временем развилось течение hi-end, где настоящие фанаты качественного звучания используют очень дорогие детали и проводники. Иногда их стоимость с лихвой перекрывает цену на сами головки, и это, как показывает практика, не предел. В ход идут проводники из бескислородной меди или серебра и т.п.
Если говорить о цифровом звуке, то реализация и конструирование цифровых фильтров очень легки по сравнению с аналоговыми. При этом, говоря о домашних кинотеатрах и системах Dolby Digital можно отметить, что алгоритмы фильтрации можно заложить заранее в цифровом виде при формировании потоков.
Что касается низкочастотной области, то для того, чтобы воспроизводить эти частоты НЧ-головки должны быть больших размеров, что говорит, прежде всего, об увеличении массы механических элементов и, как следствие, их большой инерционности. В результате мы получаем большое количество искажений и ярко выраженную нелинейность. Как найти выход из положения? Современные системы предлагают два решения - (1) использование фазоинверторов и (2) использование сабвуферов.
Фазоинверторы обычно выполняются в виде отверстий в закрытом корпусе и служат для усиления низкочастотной отдачи. Огромное значение в данном типе конструкций имеет правильность расчетов, что значительно затрудняет их разработку. Другой тип фазоинвертора - дополнительная головка, встраиваемая в корпус, в которой отсутствуют звуковая катушка и магнитопровод. Ее параметры специально подбираются.
Сабвуфер - самый простой вариант, представляет из себя отдельную моноколонку с НЧ-громкоговорителем, работающим в диапазоне от 15 до 250 Гц (может варьироваться). Как известно, человек не может произвести локализацию источников звука с частотой до 300 Гц, поэтому монофоничность сабвуфера оправдана. Правда есть небольшой нюанс с не совсем корректным соблюдением фазы, но сабвуферы чаще всего используются для воспроизведения в системах многоканального звука, где низкие частоты получены синтезированным способом. Во-вторых современные многоканальные АС работают взаимосвязано. Поэтому данный нюанс не совсем принципиален как в небольших студиях, так и в домашних кинотеатрах. В конструкциях большинства современных моделей сабвуферов предусмотрен фазоинвертор.
Мы не будем затрагивать такой важный аспект как конструирование корпусов для АС, расположение головок и т.п. Почему? Потому что это бесполезно. Каждый производитель предлагает свои варианты конструкций, исходя из существующих требований и применяемых технологий.
Точно также, если бы я дал вам сейчас полную раскладку по аппроксимациям функций Баттерворта, Бесселя, Линквица-Райли и Чебышева в приложении для построения аналоговых фильтров с приведением графиков и сложных математических расчетов. Что это вам даст в итоге? Ничего. В реальных условиях мы все равно можем проанализировать только заданные в спецификации стандартные характеристики, такие как АЧХ, мощность, коэффициент нелинейных искажений и т.п. Обычно на базе этой картины пользователю нужно делать свой выбор. Но…
Момент 1. Сейчас идет достаточно много дискуссий по поводу: "так ли важно значение гармонических искажений, которые мы измеряем". Например, ламповые устройства обладают высокой степенью их присутствия по сравнению с транзисторными, но мы воспринимаем звучание "лампы" очень хорошо. Но, вот, интермодуляционные искажения могут создавать ощущение дискомфорта. Последние стали измерять в АС абсолютно недавно, при этом сейчас не существует никаких допусков и стандартов в данной области. Производители на это в ближайшее время не пойдут, и, в результате, ощущение дискомфорта, как итог "субъективного" прослушивания, также должно являться критерием выбора нужной модели АС. Поэтому, помимо приведенных в спецификации характеристик следует полагаться и на свой слух.
Момент 2. Никто вам не откроет полностью суть вложенных алгоритмов и конструктивных особенностей, если они представляют хоть какое-нибудь ноу-хау (это может быть и специальный материал, из которого изготовлен корпус).
Итак, начнем обзор модельного ряда современных акустических систем среднего ценового диапазона. Ориентируясь на технические характеристики данных моделей, вы без труда сможете себе подобрать и хороший вариант в более низком ценовом диапазоне.
Новинка - система студийного мониторинга Studiophile LX4 2.1 ($349.95)
На протяжении 2003 года мониторинговая система серии Studiophile LX4 была одной из самых ярких новинок, представленных на пользовательском рынке. Базовая комплектация за $349.95 включает две колонки и сабвуфер. При этом в блоке сабвуфера встроено 6 усилителей (25 Вт - сабвуфер, 15 Вт - на каждый канал), что предполагает возможность апгрейда системы до полноценного 5.1 (его стоимость $199.95). Помимо этого, сабвуфер представляет из себя коммутационный блок (все разъемы TRS, балансные). В колонках используются по две головки (1 - полипропиленовый конус, 10 см в диаметре по основанию, 2 - майларовая головка с диаметром 2,5 см). Далее смотрим спецификацию…
Студийные мониторы ближнего поля M-Audio Studiophile BX5 ($399.95)
Как вариант стандартных мониторов ближнего поля вполне подойдет вариант с BX5. Они достаточно мощны (75 Вт), при этом вполне достоверно передают сигнал для устройств своего класса. Обратите внимание на то, что в этой конструкции предусмотрено наличие двух независимых усилителей для каждой полосы.
Студийные мониторы ближнего поля M-Audio Studiophile BX8 ($599.95)
BX8 - это более мощный (130 Вт) вариант с увеличенным частотным диапазоном (37 Гц - 20 КГц). Обратите внимание, что в BX8 используется электродинамическая головка с большим диаметром. Скорее всего, это отобразилось в названии, поскольку в BX5 ее диаметр равен 5-ти дюймам, а в BX8 - 8-ми.
Для моделей ВХ5 и ВХ8 со стороны M-Audio предусмотрен сабвуфер Studiophile SBX, продающийся отдельно.
Итак, огородами и окольными путями мы все-таки добрались до рассмотрения практических моделей. Далее в программе у нас рассчитано окончание обзора по студийным мониторам, введение в акустические многоканальные системы для домашних кинотеатров и обзор по наушникам. При этом я постараюсь рассеять мифы насчет "фантомного" канала и целый раздел будет посвящен теме правильной расстановки многоканальных АС.
Так что, продолжение следует…