Предупреждаю сразу: текст насыщен технической информацией и предназначен для людей знакомых с тематикой. И еще. Эта страничка оставлена мной "как было", т.е. она писалась постепенно начиная с мая 2004 года. Сейчас я вижу много неточностей (не очень принципиальных), но менять ничего не буду. Пусть все останется как было.
Прежде всего, хочется обозначить причины возникновения проекта.
Гм-м-м. Вот здесь самое место разродиться пространным текстом о недостатках классических решений. Но зачем? Сказано уже очень много. Если честно, мне просто хотельсь посмотреть, что получится. Вдохновения добавило прослушивание Legacy Whisper. Басы мне очень понравились. Итак вот проект:
1 - ленточный излучатель
2 - пищалка
3 - НЧ динамики 2х15"
4 - СЧ-ВЧ модуль
5 - НЧ модуль
6 - подставка
7 - амортизирующая подвеска
Высота конструкции около 2000мм. Ширина экрана в нижней части 600мм, в верхней - 250мм
Это акустический экран, где в качестве широкополосного излучателя применяется ленточный дипольный излучатель RD-40 производства компании BOHLENDER – GRAEBENER (2). По спецификации изготовителя он имеет диапазон частот 150-18500гц с неравномерностью 3Дб (при применении полосового фильтра, компенсирующего пик в районе верхней середины.) Для НЧ звена я предполагаю использовать 2 динамика Dayton 15IB в оформлении типа "двойной диполь" (Этот тип оформления применяют Legacy и Clestion) шириной около 600мм. При этом эффективность на низких частотах оказывается очень небольшой, поэтому приходится выбирать динамик с большим ходом.
Особой проблемой является согласование НЧ и СЧ-ВЧ звена.
1. Применение пассивных фильтров в подобной конструкции затруднительно по следующей причине: Для предотвращения перегрузки ленточного излучателя на низких частотах желательно применение фильтра 4-ого порядка. Не менее 4-ого порядка должен иметь и НЧ фильтр, а реализация пассивного фильтра 4-ого порядка на частоте около 200Гц – это жуткая штука. Поэтому однозначно – активные фильтры и раздельное усиление.
2. Ленточный излучатель является источником цилиндрической волны, чье звуковое давление уменьшается пропорционально квадратному корню от расстояния, а НЧ динамик излучает шаровую волну, где звуковое давление снижается по линейному закону. Это означает, что систему придется настраивать под конкретную точку прослушивания. Проблема. Насколько она окажется критичной в условиях реального помещения, покажет только опыт…
По поводу частоты раздела полос. Здесь придется идти на некоторый компромисс. Хотя BOHLENDER – GRAEBENER и утверждает, что его излучатели могут эффективно работать с 150гц, но при этом дают комментарий, что при озвучивании больших помещений желательно выбирать частоту раздела более 200гц. Я считаю разумным следовать указанной рекомендации.
Теперь весь вопрос упирается в НЧ звено. График АЧХ открытого экрана по Линквицу приведен на рис2 (график позаимствован из (1)).
В данном случае г-н Линквиц под Fequal подразумевает частоту, на которой уровень звукового давления открытого экрана равен уровню ЗЯ бесконечного объема. При повышении частоты отдача экрана становится выше, чем у ЗЯ, достигая своего максимума на частоте (назовем ее Fmax), когда волна, излучаемая, тыльной стороной диффузора оказывается в фазе с прямой волной. Это происходит при ширине экрана, равной длине волны (для удаленной от экрана точки наблюдения). Это по Линквицу. А вот на практике все оказывается совершенно иначе. Ниже приведен график АЧХ экрана, шириной 0,6м и ЗЯ большого объема с той-же лицевой панелью.
А вот картинки того, что мерилось:
Видно, что начиная с 170Гц отдача экрана оказывается на 2Дб выше, чем ЗЯ. И все. На перепады в отдаче +-6Дб на частотах выше 200Гц внимания обращать не стоит. Они обусловлены условиями измерений - отражением от земли. Этот момент я специально перепроверял - устанавливал испытываемые образцы на табуретку и менял растояние до микрофона. Частота и характер провалов/пиков в АЧХ при этом менялись, что подверждает их происхождение. Здесь главное - РАЗНИЦА в отдаче диполя и ЗЯ. Ниже 170Гц отдача диполя снижается со скоростью 6Дб/октаву, как и положено для диполя. Точка начала спада отдачи совпадает с частотой, где kd=1 (k-волновое число). Получаем F=V/(2*Pi*d). Очень похоже на формулу Линквица, хотя получается совершенно из других соображений. Ну да черт с ним, с Линквицем и его теорией. С ней есть проблемы - это факт, а все остальное пусть остается на совести самого г-на Линквица. В том числе и приводимые им графики. Посмотрите на них повнимательней, там есть моменты, которых не может быть при реальных измерениях... Кстати, я провел еще кое-какие интересные эксперименты с экраном. Их результаты уже ПОЛНОСЬЮ расходятся с Линквицом. Приводить их не буду, т.к. не готов дать вразумительное теоретическое объяснение тому, что намерял.
Вот. Проблем стало меньше. Можно спокойно выбирать частоту раздела в "точке перегиба" (170Гц) или выше и не беспокоится о всяких там полосовых фильтрах, которые применяет Линквиц в своих W и H диполях для подавления четвертьволновых резонансов.
Отдельно стоит проблема выравнивания АЧХ ниже Fmax. Как явствует из теории, открытый экран дает снижение отдачи на 6Дб на октаву.
Существует 2 подхода к решению проблемы.
1-ый, и наиболее распространенный – применение активных фильтров и раздельного по канального усиления.
2-ий – выравнивание АЧХ на нижних частотах с помощью динамиков с очень высоким значением Q. Пример: динамики созданные известным любителем нетривиальных решений - Bob Carver.
Слабый магнит, длинная катушка – следовательно высокое значение Qes и Qts.
Однако такой подход, похоже, не прижился, т.к. звучание, по отзывам, было не слишком хорошим (что, в общем, очевидно).
Еще одна проблема, с которой неизбежно приходится столкнуться при изготовлении низкочастотного звена в открытом оформлении – низкий уровень чувствительности на нижней границе диапазона и, соответственно, низкий уровень максимального звукового давления. У приверженцев ФИ существует мнение, что нормальный бас невозможно получить применяя ЗЯ. Что уже говорить об отрытом ящике. Однако это, без сомнения, заблуждение. Все упирается исключительно в цену вопроса. ФИ – самый дешевый и плохой вариант. Для ЗИ – придется применять более совершенные динамические головки, размер акустического оформления может оказаться большим, а чувствительность меньшей. И уж совсем дорогим оказывается оформление типа «экран». По занимаемому полезному объему оно может оказаться экономичней ЗЯ, но стоимость и количество применяемых динамических головок неизбежно оказывается высоким. Существуют проекты, в которых применяют по 12(!) НЧ динамических головок на канал.
Однако, более конкретно. В (1) лежит программка на EXCEL, с помощью которой можно произвести расчет максимального звукового давления как для случая ЗЯ, так и для открытого экрана (Вот она, в переведенном виде). Особо следует обратить внимание, что при расположении НЧ звена вблизи пола, чувствительность и уровень максимального звукового давления повышаются на 6дб (излучение в полупространство). Я для себя выработал следующий критерий максимальное SPL не менее 100Дб на частоте 50Гц.
Исследования излучателя RD40
После месяца томительного ожидания, из США пришла посылочка с RD-40. Вот оно
Очень прикольная надпись:
Начинаем мерить. Сначала - голый излучатель без акустического оформления
Беда... После мучений с подбором формы экрана (очень сильно влияет на АЧХ!), прихожу к трапецивидному экрану с шириной 50см внизу и 25см вверху. Меряем
Самое время сравнить полученные результаты с тем, что намеряли в (3).
Итак. Подъем на частотах ниже 500-600Гц вначале присутствовал и у меня. Его удалось устранить подбирая ширину экрана. При этом так же стала мало выраженной зависимость этого горба от растояния до излучателя. Подъем на 5-6кГц - свойство ленточных излучателей данного типа. Он объясняется резонансом во "впадине" перед излучающей лентой. С ним можно и нужно бороться только посредством коррекции АЧХ. В диапазоне 17-20кГц наблюдается спад отдачи порядка 6Дб. Это плохо. Здесь возможны два решения. Первое - применение активной фильтрации, второе - установка пищалки. И, наконец самая "геморойная" проблема. Провал на 1-1,5кГц. В (3) по этому поводу пишут следующее:
"The Proximity Effect is still evident, as is the first inkling of a 'Moving Dip' at ~1000Hz."
Подобные мысли прослеживаются и в описании производителя. Вот здорово. Значит: Proximity Effect и все. Труба. Чушь это собачья. Понятия не имею, чем вызван этот провал в отдаче, но чисто интуитивно решение проблемы было мной найдено
Вы видите три графика. Последний (черный) был измерен на урове на 3Дб выше, чтобы картинки не путались. Нету провала! А сделано было следующее: к экрану по бокам были добавлены узкие стенки, т.е. из экрана получился "мелкий" открытый ящик. Итого: красный график - экран без стенок, синий - ящик глубиной 4см, черный - ящик переменной глубины - 1/4 ширины экрана. Вот и все решение. Далее увеличивать глубину ящика нельзя, т.к. начинает искажаться диаграма направленности, что неизбежно приведет к увеличению неравномерности АЧХ в реальном помещении.
Итог:
А вот результаты измерений:
Красный график - излучатель установлен на земле, зеленый - на табуретке. Можно делать выводы:
1. Направленность излучения в вертикальной плоскости начинает проявляться с 500Гц. выше 8кГц диаграма направвленности становится очень узкой. Это четко видно на графиках: при измерении "на земле" микрофон оказался немного выше оси излучения и как результат - провал на ВЧ. Ниже 500Гц явно видно влияние отражений от земли.
2. В реальном помещении меня ожидают проблемы: повышение отдачи ниже 500Гц (более широкая диаграма направленности в вертикальной пл-ти) и снижение отдачи выше 8кГц (более узкая диаграма как в вертикальной, так и в горизонтальной пл-ти)
Проверим. Проводим измерения в очень гулком зале (35м2 без мебели, пол - плитка, стены - штукатурка). Вот оно:
Вот так. Проверим результат с помощью измерений скользящим тоном (MLS страшно глючит в гулком помещении, достоверность и повторяемость результатов - средняя)::
С другой стороны - не очень и плохо. В нормальном помещении такого подъема в области 200-600Гц конечно не будет, неравномерность, видимо, - глюки MLS, а вот провал на высоких? Пока не знаю. Пожалуй, без дополнительной пищалки не обойтись.
НЧ ДИПОЛЬ.
Итак после 8 недель ожидания, четыре 15" динамика наконец пришли. На первый взгляд - ничего особенного. Совершенно бютжетная конструкция. Ну что же, время покажет... А пока, я быстренько собрал модель двойного диполя
и начал измерения. Но сначала еще несколько слов о конструкции. Я собрал двойной диполь - это два расположенных друг за другом экрана трапецевидной формы. Высота - 60см, ширина внизу 62.5см, вверху - 50см. Динамики расположены близко к полу. На это есть 2 причины. Первая - увеличение на 6Дб звукового давления за счет излучения в полупространство. Вторая - перепады АЧХ, вызванные отражением звука от пола находятся за пределами (выше) рабочей частоты НЧ звена. (Кстати, отвлекаясь от темы, есть разные мнения по поводу оптимальной высоты расположения НЧ излучателя от пола. Мне представляется, что чем ниже - тем лучше.)
Итак - измерения.
Сначала я не ставил "задний" динамик и померил АЧХ одиночного экрана (синий график), потом АЧХ двойного диполя (красный график). Интересный результат. При использовании двойного диполя удается получить АЧХ +-2Дб вплоть до 75Гц без применения частотной корекции Результат для меня представляется очень необычным. Не буду повторяться про полнейшую нестыковку с теорией Линквица, но даже "из общих" соображений кажется невероятным, что открытый экран может иметь подобные параметры несмотря на всякие "акустические короткие замыкания"
Перепады выше 300Гц вызваны отражениями от земли. Чтобы проверить это, я слегка изменил условия измерений - увеличил растояние до микрофона до 3м и опустил его ниже к земле. Вот что получилось
Все именно так и должно быть. Да, кстати, все измерения проводились на открытом воздухе,а графики даны "как есть" - без сглаживания.
Ну и, наконец, для успокоения души, я померил диаграмму направленности. График приводить не буду - нет там ничего интересного. Под углом 90гр, уровень звукового давления падает не менее чем на 18Дб во всем диапазоне частот.
Итого: применение двойного диполя на НЧ - очень разумный вариант, т.к. позволяет получить достаточно линейную АЧХ без применения активной корекции. Быть может, даже получится обойтись пассивыми разделительными фильтрами. Еще: собранная мной консструкция (10мм фанера, усиленная 40х40мм брусками) оказалась необычайно хлипкой. При увеличении мощности всь агрегат скакал по земле и безобразно дребезжял. Надо делать очень прочно и тяжело...
12 сентября. После паузы пора, наконец, писать продолжение. Что то у меня выходит не разумно разбитый по разделам сайт, а нечто вроде дневника, обновляемого по ходу дела. Ну да ладно. Когда все наконец будет закончено, может все и систематизирую. А пока вот:
Это практически окочательный вариант отделки. Не хватет только некоторых декоративных деталей, которые, впрочем, на звук не влияют.
Хочется поблагодарить Костю Жеренкова (4) за отменное качество изготовленных им корпусов. Категорически рекомендую.
Теперь немного об измерениях. Во первых: все измерения, если не оговорено обратное, как я уже писал, проводятся на открытом воздухе на приличном растоянии от строений. Технология MLS при которой измерения возможны в помещении не применима для моего случая. Дело в следующем: для СЧ и ВЧ диапазонов измерения должны проводятся на ростоянии меньшем, чем до ближайшей отражающей поверхности. Но при этом должно соблюдаться правило: микрофон находится в "дальней" зоне, т.е. на растоянии не менее 5 характерных размеров излучателя. Для стандартных динамиков это вполне нормально, но в моем случае - неприемлимо. У ленточного излучателя в метр длиной АЧХ и прочие параметры становятся более менее похожими на реальные на растоянии более 2,5м. Соответственно помещение для измерений должно быть очень немаленьких размеров. У меня нету такого под рукой. Увы. Поэтому остается только открытый воздух. Но и в этом случае мы не избавляемся от всех проблем. Остаются отражения "от пола" (я о них как то упоминал выше), которые могут до неузнаваемости исковеркать результаты измерений. Здесь есть выход: измерения "на земле", когда прямой и отраженный сигнал приходят синфазно (5) (кстати, если кому интересно, могу изложить технологию вкратце).
Я не занимался этим делом, т.к. не особо надеялся на хороший результат в моем случае "длинного" излучателя, но в конце концов решил попробовать. Провозиться с настройкой пришлось очень нехило, но вот результат:
Здесь можно увидеть результаты измерений для НЧ и СЧ-ВЧ звена в отдельности. Интересен следующий факт: реальный пик в отдаче на 5кГц на оси оказался существенно выще. Это связано с острой направленостью излучения в вертикальной плоскости, которая начинает ярко проявляться с частоты где то около 1кГц. Соответственно, когда прямой ссигнал складывется с отраженным, в последнем присутствует сильный завал на верней середине и высоких, что приводит к уменьшению этого самого пика, а заодно и к завалу выше 10кГц. М-да. Всеж весьма проблемным оказывается этот долбаный ленточный излучатель. Ниже приводится АЧХ снятое в реальной комнате (правда весьма гулкой) в реальной точке прослушивания.
Что сказать. С моей точки зрения, весьма прилично. Резонансы помещения заметны только ниже 150Гц, да и то фактически возбуждается только одна мода. С ней можно будет попробовать побороться подбирая расположение колонок. А вот без пищалки видимо не обойтись. Пока все. Продолжение следует.
Переделка ленточного излучателя (16 октября)
Итак... По ходу дела проблем становится все больше и больше. Еще в начале тестирования RD-40 скользящим тоном, мне показалось, что на некоторых частотах присутствуют незначительные призвуки. Я не уделил этому внимания. А зря. При стандартном для любой акустики испытании на вибрации, призвуки и прочую дрянь выяснилось, что в районе частот от 500 до 1000Гц четко, явно и сильно слышны негармонические, шуршащие звуки. Приплыли. Я, вроде, собрался делать нечто серьезное и терпеть ТАКОЕ - невозможно. Стал разбираться. Выяснилось, что лента излучателя демпфируется полоской жесткого поролона, которая при некоторых условиях начинает заметно шуршать. Вот тебе и HI-END!!!.
Очевидно, что терпеть подобное я никак не мог. Вот и начались продолжительные поиски решения. Полное удаление демпфирующего матерьяла усугубляет картину. Тонкая лента излучателя начинает мерзко "заводиться" то на одной, то на другой частоте. Это сильно заметно на слух и нелинейные искажения уходят "в никуда". Начался подбор возможных демпфирующих матерьялов. Помучившись изрядно, я остановился на мягкой овечей шерсти. Отчасти на эту мысль навел меня Павел Самсонов: "Запомнилось применение там в качестве демпфера для RD-40 войлока тонкой обработки", за что ему огромное спасибо!
Следует особо отметить, что при "набивке" демпфирующего матерьяла требуется крайняя тщательность и осторожность. Существует строго определенная плотность набивки, при которой остаются в пределах нормы одновременно АЧХ, искажения и отсутствуют призвуки. Адский, китайский труд!
ИТОГ
Ну вот, наконец, вроде есть результат...
Вот так установлены колонки. Как видно, условия очень "неблагоприятные": полы - плитка, крашеные штукатуреные стены. Короче - одни отражения.
Фильтр НЧ модуля
Фильтр СЧ-ВЧ модуля
Вид НЧ модуля сбоку. Обратите внимание: шипы стоят на кусочках толстой кожи. Это оказалось наилучшим вариантом, учитывая грандиозный вес колонок и ОЧЕНЬ высокий уровень вибраций при приличном уровне низких частот.
1. АЧХ
Вы видите АЧХ снятую "на открытом воздухе". +-2,5Дб в диапазоне 70Гц - 18кГц. Следует заметить, что корректно снять АЧХ подобных колонок без безэховой камеры крайне сложно, т.к. минимальное растояние, с которого возможно проводить измерения составляет около 2,5м. Описаная выше методика измерений "на отражении" тоже не работает для колонок "в целом", т.к. при ее использовании оказывается заниженным уровень НЧ. Поэтому интересной может быть АЧХ снятая в реальном (очень гулком) помещении прослушивания.
Видно, что "горбы" в АЧХ, снятой на открытом воздухе выглядят несколько иначе и, возможно, связаны с отражениями от земли. Кроме того специфическая диаграмма направленности приводит к выравниванию пика на ВЧ. Поподробней о направлености. Я не привожу графиков просто потому, что забыл их промерить. Тащить 70кг колонки из за этого еще раз на улицу - в лом. На самом деле там нет ничего интересного. Еще давно я делал пробные замеры. Направленость практически точно соответствует теории для диполя, за исключением самого верха (больше 8-10кГц), где она сужается. И еще: влияние помещения - весьма слабо (как и должно быть для диполя) и проявляется, в основном, одной модой.
2. Зависимость THD от частоты
График снят при подведении сигнала с напряжением 5,66В, что соответствует звуковому давлению около 92-93Дб в стандартных условиях. Обращаю внимание на весьма низкие нелинейные искажения на НЧ и исчезающе малые искажения на частотах выше 3000кГц. В целом, картина весьма достойная. При измерении искажений на больших уровнях громкости (десятки ватт) картина следующая: искажения начинают возрастать на НЧ ниже 70Гц и острым пиком на частоте около 1кГц, где могут достигать 5% (при этом доминирует 2-ая гармоника). В остальном мощность на уровень THD практически не влияет.
3. Зависимость фазы от частоты
Даже не знаю, как прокоментировать. Стыковка в зоне раздела полос прошла, вроде, гладко...
4. Другие графики.
Ну что сказать... Не получается у меня снять данные в условиях, полностью без отражений. Как уже много раз говорилось, нечто реальное можно померять только с дистанции не менее 2,5м (из-за больших размеров ленточного излучателя). На таком растоянии избавиться полностью от отраженного от земли сигнала не удается ни какими разумными способами. Как результат - все данные зверски искажены и не имеют никакого смысла (речь идет о разного рода импульсных хар-ках - ЧПХ и пр.).
ССЫЛКИ
1. Сайт Линквица
2. BOHLENDER – GRAEBENER
3. Изучение RD-75
4. Изготовление корпусов
5. Dr. Joseph D'Appolito "TESTING LOUDSPEAKERS" 1998
Напишите мне