Динамик сам по себе ещё не громкоговоритель — им он становится только в подходящем ящике, и при неудачном выборе оформления самый породистый басовик зазвучит тошнотворно. Разбираем весь список низкочастотных оформлений, от акустического экрана до двухтоннельного бандпасса, и сравниваем их по тем свойствам, которые решают дело в машине.
Почему оформление важнее паспортных цифр
Сумятица в понимании того, как устроено басовое звено автомобильной акустики, во многом идёт от рекламных, а часто и справочных публикаций. Покупателю сообщают размер динамика, затем мощность, потом ещё мифический диапазон частот и завершают всё победным аккордом цены. Кажется, что этого достаточно. На деле здесь всё только начинается.
В английском языке динамик называется driver, то есть привод, и это очень точно. Как двигатель становится автомобилем, лишь обогатив себя всем тем, что выработало для этого человечество, так и динамик становится громкоговорителем только в присущем ему акустическом оформлении.
С верхнечастотными и среднечастотными головками дело обстоит относительно просто: ВЧ головки своё оформление несут на себе, а СЧ требуют его в минимальных размерах. С басовиками иначе — здесь почти всё определяется выбором оформления, и в зависимости от этого выбора пересмотру подлежат все сообщённые вам параметры: и мощность, и диапазон частот, и в известном смысле цена.
Задача любого низкочастотного оформления решается по древнему принципу «разделяй и властвуй». Разделяй означает, что колебания, излучаемые одной стороной диффузора, должны быть чем-то отделены от колебаний обратной его стороны, идущих одновременно и в противофазе с первыми. Властвуй означает, что с отсечёнными таким образом лишними звуковыми волнами можно поступить по-разному. Вот на способах поступить и строится вся классификация.
Акустический экран и закрытый ящик
Исторически первым оформлением был акустический экран. Он не пускает колебания с одной стороны диффузора на другую и не даёт им взаимно уничтожиться — но лишь до частот, на которых кратчайшее расстояние между лицевой и обратной сторонами диффузора становится сопоставимо с длиной полуволны. Ниже этой частоты экран расписывается в полном неумении и предоставляет противофазным волнам гасить друг друга как им заблагорассудится. Чтобы пресечь акустическое короткое замыкание на частоте, скажем, 50 Гц, щит должен иметь размер 3 метра на 3. Практическое значение этот вид оформления давно утерял, хотя до сих пор используется как эталонный при измерении параметров динамиков.
Простейшее из практически применяемых оформлений — закрытый ящик (sealed или closed в зарубежной терминологии). С ненужными колебаниями здесь поступают решительно: запертые в замкнутом пространстве позади диффузора, они рано или поздно угаснут и превратятся в тепло. Количества этого тепла мизерны, но в мире акустики всё носит характер малых возмущений, и то, как происходит термодинамический обмен, для характеристик системы небезразлично.
Если позволить звуковым волнам внутри корпуса болтаться без присмотра, значительная часть энергии рассеется на заключённом в корпусе объёме воздуха. Он, пусть и незначительно, нагреется, и упругость воздушного объёма изменится в сторону повышения жёсткости. Чтобы этого не происходило, внутренний объём заполняют звукопоглощающим материалом — обычно ватой: натуральной, синтетической, стеклянной или минеральной. Поглощая звук, этот материал поглощает и тепло, а из-за существенно большей, чем у воздуха, теплоёмкости волокон повышение температуры становится намного меньше, и динамику как бы кажется, что позади него объём больше, чем на самом деле. На практике таким способом удаётся увеличить акустический объём по сравнению с геометрическим на 15-20 процентов. Именно в этом, а вовсе не в поглощении стоячих волн, как многие считают, и состоит основной смысл введения звукопоглотителя в закрытые громкоговорители.
Разновидностью закрытого ящика — а не акустического экрана, как часто полагают, — является так называемый бесконечный экран, в англоязычных источниках infinite baffle или free-air. Все эти названия одинаково дезориентируют: бесконечного экрана на практике быть не может. Бесконечным экраном принято считать закрытый ящик такого большого объёма, что упругость заключённого внутри воздуха значительно меньше упругости подвески диффузора. Динамик эту упругость просто не замечает, и характеристики системы определяются только параметрами головки. Где проходит граница, за которой объём становится как бы бесконечным, зависит от параметров конкретного динамика. В практических задачах таким объёмом всегда оказывается внутренний объём багажника: даже у небольшого автомобиля он даёт реакцию бесконечно большого объёма даже для крупного динамика. Другое дело, что не всякий динамик будет хорошо работать в таком оформлении.
При всей — кстати, кажущейся — простоте закрытый ящик обладает достоинствами, которых у более мудрёных конструкций нет. Во-первых, простота расчёта: у закрытого ящика всего один параметр, внутренний объём, и уж один-то можно выбрать правильно, если постараться. Поле для ошибок сведено к минимуму. Во-вторых, во всём диапазоне частот, вплоть до нуля, колебания диффузора сдерживаются упругой реакцией воздушного объёма внутри ящика, что существенно снижает вероятность перегрузки динамика и его механических повреждений.
Фазоинвертор и пассивный излучатель
Следующий по распространённости тип оформления — фазоинвертор (ported, vented, bass-reflex). Он гуманнее относится к излучению тыловой стороны диффузора: часть энергии, которая в закрытом ящике ставится к стенке, используется в мирных целях. Внутренний объём ящика сообщается с окружающим пространством тоннелем, заключающим в себе некоторую массу воздуха. Величину этой массы выбирают так, чтобы в сочетании с упругостью воздуха внутри ящика она образовала вторую колебательную систему, которая получает энергию от тыльной стороны диффузора и излучает её куда нужно и в фазе с излучением диффузора.
Эффект достигается в не очень широком диапазоне, от одной до двух октав, но в его пределах коэффициент полезного действия существенно возрастает. Есть и второе важнейшее достоинство: вблизи частоты настройки значительно уменьшается амплитуда колебаний диффузора. На первый взгляд это парадокс — как здоровенная прореха в корпусе может сдержать движение диффузора, — но это факт. В своём рабочем диапазоне фазоинвертор создаёт для динамика тепличные условия: точно на частоте настройки амплитуда колебаний минимальна, большая часть звука излучается тоннелем, допустимая подводимая мощность максимальна, а вносимые динамиком искажения, наоборот, минимальны.
Выше частоты настройки тоннель становится всё менее прозрачным для звуковых колебаний из-за инерции заключённой в нём воздушной массы, и громкоговоритель работает как закрытый. Ниже частоты настройки происходит обратное: инерция тоннеля постепенно сходит на нет, и на самых низких частотах динамик работает практически без нагрузки, будто его вынули из корпуса. Амплитуда колебаний быстро растёт, а с ней и риск выплёвывания диффузора или повреждения звуковой катушки от удара о магнитную систему.
Средство предохранения, помимо осмотрительности в выборе громкости, — фильтр инфранизких частот. Отрезая часть спектра ниже 25-30 Гц, где полезного сигнала всё равно нет, такой фильтр не даёт диффузору идти в разнос.
К выбору параметров и настройке фазоинвертор существенно капризнее: под конкретный динамик подбираются уже три величины — объём ящика, поперечное сечение и длина тоннеля. Тоннель очень часто делают так, чтобы у готового сабвуфера длину можно было регулировать, меняя частоту настройки.
Из-за наличия двух взаимосвязанных колебательных систем фазоинвертор является акустическим фильтром четвёртого порядка: теоретически его АЧХ имеет спад 24 дБ/окт ниже частоты настройки, реально от 18 до 24. Горизонтальную АЧХ при установке в салоне получить практически невозможно. В зависимости от соотношения размера салона, а стало быть, характерной частоты, с которой начинается подъём АЧХ внутренней акустики, и частоты настройки фазоинвертора суммарная характеристика может иметь отклонения от деликатного горба до безумных амурских волн. Горб, то есть плавный подъём АЧХ на низших частотах, часто как раз и оказывается тем, что надо для оптимального субъективного восприятия басов в зашумлённом пространстве. А вот резкие перепады амплитуды при неудачном выборе параметров снискали фазоинвертору совершенно незаслуженное прозвище boom-box, то есть бухало. Справедливости ради: бухающего эффекта можно добиться и от закрытого ящика, а правильно рассчитанный фазоинвертор способен дать очень ясный и музыкальный бас при разумной подводимой мощности.
Разновидность фазоинверторного оформления — громкоговоритель с пассивным излучателем, он же радиатор (passive radiator, drone cone). Вторая колебательная система реализована здесь не массой воздуха в тоннеле, а вторым диффузором, ни к чему не присоединённым, но утяжелённым до требуемой массы. На частоте настройки этот диффузор колеблется с наибольшей амплитудой, а основной — с наименьшей; с продвижением вверх по частоте они постепенно меняются ролями.
До недавнего времени в мобильных установках этот тип не применялся, хотя в домашних используется довольно часто. Причиной нелюбви были неоправданные хлопоты по добыванию второго диффузора — обычно это такой же динамик, но без магнитной системы и звуковой катушки — и трудности с размещением двух больших диффузоров там, где у обычного фазоинвертора надо разместить диффузор и небольшой тоннель. Однако автомобильные сабвуферы с пассивным излучателем всё же появились: нужда заставила. Дело в том, что пошли динамики нового поколения с очень большим ходом диффузора, рассчитанные на работу в малых объёмах. Объём выдуваемого ими воздуха очень велик, и тоннель пришлось бы делать значительным в диаметре, иначе скорость воздуха в нём возрастёт настолько, что он зашипит как паровоз. А сочетание малого объёма ящика и большого диаметра тоннеля заставляет выбирать для тоннеля большую длину — фазоинверторы обычной конструкции для таких головок украсились бы трубами метровой длины. Чтобы избежать этого, требуемую соколеблющуюся массу предпочли сосредоточить в пассивном излучателе с ходом диффузора таким же, как у активного динамика.
Полосовой громкоговоритель
Третий тип сабвуфера, довольно часто используемый в автоустановках, хотя и реже двух предыдущих, — полосовой громкоговоритель (bandpass), иногда его называют громкоговорителем с симметричной нагрузкой (symmetric loading). Если закрытый ящик и фазоинвертор представляют собой акустические фильтры верхних частот, то полосовой, как и следует из названия, объединяет в себе фильтры верхних и нижних частот.
Простейший вариант — одинарный полосовой четвёртого порядка (single reflex). Он состоит из закрытого объёма, так называемой задней камеры, и второго объёма, снабжённого тоннелем как у обычного фазоинвертора, — передней камеры. Динамик установлен в перегородке между камерами так, что обе стороны диффузора работают на полностью или частично замкнутые объёмы; отсюда и термин симметричная нагрузка.
Ещё большей эффективностью обладают полосовые громкоговорители шестого порядка с двумя тоннелями. Камеры такого сабвуфера настраиваются с разносом примерно в октаву. Двойной бандпасс даёт меньшие искажения в рабочей полосе, поскольку динамик нагружен фазоинверторами с обеих сторон диффузора со всеми преимуществами такой нагрузки, но спад АЧХ ниже рабочей полосы у него круче, чем у одинарного.
Промежуточное положение занимает так называемый квази-полосовой громкоговоритель, он же с последовательной настройкой: задняя камера соединена тоннелем с передней, а передняя ещё одним тоннелем — с окружающим пространством. Трёхкамерные полосовые представляют собой просто альтернативные конструктивные реализации обычных полосовых: их составляют из двух обычных, после чего убирают разделяющую стенку.
Из традиционных конструкций полосовой громкоговоритель в любом варианте — чемпион по эффективности, причём эффективность прямо связана с шириной полосы пропускания. Частотная характеристика бандпасса имеет вид колокола. Выбирая объёмы и частоту настройки передней камеры, можно построить сабвуфер с широкой полосой, но ограниченной отдачей — колокол будет низким и широким, — а можно с узкой полосой и очень высоким КПД в ней, и тогда колокол вытянется в высоту.
Расплата известна. Бандпасс капризен в расчёте и самый трудоёмкий в изготовлении: динамик закопан внутри корпуса, поэтому приходится идти на ухищрения при сборке ящика, чтобы съёмная панель не нарушала жёсткости и герметичности. Согласование частотных характеристик сабвуфера, салона и фронтальной акустики тоже связано с известной головной болью, а импульсные характеристики не из лучших, особенно при широкой полосе.
Компенсируется это, прежде всего, высочайшим КПД. А во-вторых тем, что весь звук излучается через тоннель, а динамик полностью закрыт. При компоновке такого сабвуфера у установщика с фантазией открываются немалые возможности: достаточно найти небольшое местечко на стыке багажника и салона, где может разместиться жерло тоннеля, — и путь мощнейшим басам открыт. Специально для таких установок фирма JLAudio, например, выпускает гибкие пластмассовые рукава-тоннели, которыми предлагает соединять выход сабвуфера с салоном; многие соглашаются. Вроде шланга пылесоса, только толще и жёстче.
Редкие варианты: лабиринт, рупор и ПАС
Существуют ещё три варианта оформления низкочастотной акустики, которые хоть и существуют, но применения практически не находят.
- Акустический лабиринт — отвод энергии от тыльной стороны диффузора идёт по длинной трубе, обычно сложенной для компактности, но всё равно увеличивающей габариты сабвуфера до пределов, недопустимых в мобильной установке.
- Экспоненциальный рупор — для получения достаточно низкой граничной частоты он должен иметь циклопические размеры. Это делает его редкостью в низкочастотном звене даже стационарных систем, где места побольше, чем в автомобиле.
- Апериодическая нагрузка в виде сосредоточенного акустического сопротивления (aperiodic membrane), у нас её раньше называли ПАС — панель акустического сопротивления. Имеет единичные прецеденты применения. Идея в том, что нагрузкой для диффузора служит близкорасположенная полупроницаемая преграда: плотная ткань или слой стекловаты, зажатый между перфорированными панелями. Теоретически такая нагрузка носит неупругий характер и, как амортизатор в автомобильной подвеске, гасит акустическую энергию, не влияя на резонансную частоту динамика. Но это теоретически. На практике воздушный объём между динамиком и ПАС создавал такую мешанину характеристик и реакций, что результаты становились малопредсказуемыми.
Как сравнивать оформления между собой
Из беглого взгляда на основные типы ясно, что совершенства в мире нет: любой выбор будет компромиссом. Чтобы существо компромисса стало яснее, сравним варианты по факторам, определяющим успех их применения в мобильной аудиоустановке.
Коэффициент полезного действия определяет в конечном счёте, насколько мощный усилитель понадобится для достижения нужного уровня громкости, а заодно и насколько трудной будет жизнь динамика. В наиболее важном для передачи информации басовом диапазоне 40-80 Гц места распределятся так: чемпионы зачёта — узкополосные полосовые громкоговорители, особенно двухтоннельные шестого порядка. За ними идут широкополосный двухтоннельный и обычный фазоинвертор. Самые охочие до подводимой мощности — закрытый ящик и широкополосный одинарный бандпасс.
Искажения. В нижней октаве с полутора музыкального диапазона, то есть 30-80 Гц, при небольших уровнях мощности прилично ведут себя все типы оформления; фазоинвертор и полосовой чуть лучше остальных, но ненамного. А вот при больших мощностях соперники растягиваются вдоль дистанции. Наилучших результатов здесь следует ждать от двойного полосового громкоговорителя, за ним идут одинарный полосовой и фазоинвертор, а замыкает цепь закрытый ящик, дающий наибольшие искажения при больших амплитудах сигнала.
Точная передача фронтов басовых инструментов — едва ли не главное качество басовой акустики: немного проку в низких басовых потугах, если они смазанные и вялые. Здесь наилучшие результаты при правильном расчёте обещает закрытый ящик. Переходные характеристики фазоинвертора могут быть очень достойными, но в среднем всё же уступят закрытому оформлению. Одинарные полосовые имеют неплохие характеристики, которые, однако, ухудшаются с расширением полосы пропускания. Хуже всех на импульсный сигнал реагирует двойной полосовой громкоговоритель, опять же в особенности широкополосный.
Согласование с фронтальной акустикой. Начиная с определённой частоты работа сабвуфера должна быть перепоручена мидбасам фронта. Для закрытого ящика и фазоинвертора это не проблема: и частота раздела полос, и крутизна спада определяются внешними цепями, так что у конструктора системы изрядная свобода. А узкополосные бандпассы часто обладают собственным спадом частотной характеристики уже начиная с 70-80 Гц, где далеко не всякий мидбас может безболезненно подхватить песню. Требования к мидбасам усложняются, да и работа с кроссовером проще не становится.
Полный свод для сравнения по пятибалльной системе строится по следующим позициям: искажения на малой мощности, искажения на большой мощности, согласование с фронтальной акустикой, перегрузочная способность в рабочем диапазоне выше 30 Гц, перегрузочная способность в инфранизкочастотном диапазоне ниже 30 Гц, гладкость АЧХ с учётом внутренней акустики автомобиля и чувствительность к ошибкам расчёта и изготовления.
