Серия «Делаем сами акустическую систему с нуля»

Продолжение поста про выбор динамиков для домашней DIY-системы.

Я обещал из теоретической плоскости перейти к практике и рассказать, как именно выбирал сетап излучателей и почему были выбраны именно эти динамики.

Сегодня расскажу про бас

В качестве основы для басовой секции я выбрал норвежские Seas. А именно, CA22RNX.

Фото не мое, с просторов сети

Просто они у меня были и грех было этим обстоятельством не воспользоваться (Шутка!).

На самом деле пара этих динамиков у меня действительно имелись в запасе. И я знал, что рано или поздно они займут место в достойной инсталляции.

У меня есть опыт работы с этими головками. В одном из проектов, реализованном по схеме д’Апполито (ЗЯ) они показали весьма впечатляющие результаты.

Пример компоновки д'Апполито. Фото из сети, для понимания.

Что запомнилось из того проекта: Нереально-быстрый и очень музыкальный панч дополнялся весьма низким и мощным фронтом, реализованным за счет взаимного расположения излучателей, работающих на единый объем.

Но, д’Апполито, хоть и нравится, мне не светит: такая система предполагает довольно большие размеры комнаты для прослушивания.

В маленьком помещении на громкости чуть выше разговорной речи могут возникнуть проблемы. Поэтому увы, но я выбрал классическую трехполоску.

Вернемся к CA22RNX. Производитель позиционирует этот динамик как почти премиум-класс. (Действительно, от серии XL отличаются не так сильно). Давайте разберемся с этим зверем поподробнее.

Сопротивление 8 Ом - классический вариант, идеален для большинства усилителей.

Чувствительность 89.5 дБ - весьма внушительно, можно будет гонять громко, без особых усилий. Плюс, на практике, с учетом резонансов помещения, бас, скорее всего подрастет на 1…2 dB. Поэтому можно смело закладывать общую “чуйку” системы в области ~90dB.

А вот резонансная частота 29 Гц - это уже серьезная заявочка! Такой динамик явно рассчитан на воспроизведение мощного, сочного и глубокого баса.

Добротность 0.41 - весьма интересное значение. Это говорит о том, что динамик будет демонстрировать плавный, округлый и контролируемый бас, без излишней "бочкообразности". Ни дать ни взять - аудиофильский перфекционист в области низких частот.

И наконец, диаметр 220 мм - вполне серьезный калибр! Такой здоровяк наверняка способен выжать максимум из заданных характеристик и выдать впечатляющее звучание в заданных условиях.

Впрочем, помните, что я писал чуть ранее? К заявкам производителя стоит относиться максимально скептически. И этот случай не стал исключением.

Я всегда(!) измеряю динамики при отборе в проект. И реальные данные нередко способны удивить неискушенных владельцев. Не обошлись без тщательных замеров и эти два басовика.

Итак, реальные параметры:

Измерено двумя методами: объем + добавочная масса.

Резонансная частота: 38,5 Hz против заявленных производителем 29.

Упс!?
Нормально! Продолжаем

Подключаю динамик к источнику розового шума и оставляю в мастерской на ночь. Утром повторяю замер.

Итог: 8 часов качественнейшего прогрева дали в итоге резонансную частоту равную 38,5 Герц. Таддааам!

Итак, продолжаем думать: годится ли CA22RNX на роль басовой составляющей моего проекта? Для этого прикинем, что можно сделать.

Если бы я поверил даташиту, то корпус для басовика пришлось бы городить от 40…45 литров. Но измерения подсказали, что можно использовать более компактный объем.
Плюс? Однозначно!

Еще один бонус CA22 это идеальное сочетание электрической (Qe) и механической (Qms) добротностей. Стоит отметить, что полная добротность обоих динамиков оказалась весьма близкой к даташиту и составила 0.42 и 0.41. и это прекрасно!

Итог: динамики вполне хороши. Что-то заметно лучшее мы приобрести, конечно, можем. Но это будет стоить существенно дороже и не факт, что будет столь же качественно собрано.

Рассчитываем реальный корпус

Результаты измерений я ввел в симулятор и программа помогла мне рассчитать основные параметры требуемого корпуса объем, размеры фазоинвертора и прочее.

Итоговый объем вышел около 35-36 литров. Настройка ФИ примерно на 39 Гц. Таким образом, нижний бас по -3дБ можно ожидать в районе 45 Гц. Выше, чем я ожидал, но в целом - шикарно.

А если вспомнить про буквально “золотую” добротность…!
Однозначно, берем!

Продолжение следует. Напоминаю: единственным стимулом продолжать эту серию является читательский интерес. В графомании не замечен, на рейтинг пох. Поэтому - хотите продолжения, комментируйте, ставьте плюсы, подписывайтесь.

Я обещал рассказать про то, как происходит процесс разработки акустической системы с нуля и до включения. Как просили, буду расписывать "на пальцах" в мурзилка-формате. Прошу коллег-инженеров не пинать и говешками не кидаться. Или кидайтесь, черт с ним. Все ж движуха.

Начало (зачем и почему я взялся за эту тему)

Итак, часть первая. Выбор динамиков


Чуточку теории

Как я писал раньше, мне хочется получить от будущей системы ровную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) от 35-40 Герц.

Что это значит ровная АЧХ? Самое простое объяснение: если записать последовательно сыгранные ноты на фортепиано от самой басовой, до верхней, и затем воспроизвести эту запись на акустике с линейной АЧХ, то громкость каждой нотки будет практически одинаковой.

Зачем это надо? Чтобы музыка в исполнении вашей системы звучала именно так, как записал ее автор. Неравномерная АЧХ добавит/убавит лишних басов или цыканья, какие-то инструменты будут звучать неестественно, слишком глухо или раздражающе звонко. В общем вы поняли…

Примерно так выглядит АЧХ некой абстрактной акустической системы на графике. По вертикали громкость на всех частотах диапазона. По горизонтали - ширина воспроизводимой полосы.

В данном примере можно увидеть, что измеренная АС уверенно играет в диапазоне от 40 Гц до, приблизительно 16 кГц.

На практике отклонения от идеальной "полочки" +-3 дБ отклонениями не считаются. Принято думать, что человеческий слух автоматически компенсирует столь незначительные провалы и всплески.

(Могу с этим поспорить, но это за рамками поста).

График АЧХ реального мидбасового динамика, предоставленный производителем. График обозначен жирной кривой.
Для чего тут остальные загогулины - расскажу чуть позже.

Как видите, картина весьма далека от идеала. И это еще довольно дорогой и качественный динамик! У Noname-производителя все может быть куда страшнее.

Но мы не пугаемся. Потому, как в одном из следующих постов я намерен рассказать как разработчик может из вот этого хаоса сделать все хорошо.

От чего на практике зависит ширина рабочего диапазона динамика

Вы поняли уже, что динамики ограничены в своей способности воспроизводить звук как по верхней, так и по нижней части диапазона. Но вот причины для каждого из этих ограничений немного отличаются.

Ограничения по нижней части диапазона

Как известно, звук - это колебания воздуха. Таким образом, любой звучащий предмет - колокол, струна гитары, или диффузор (излучатель) нашего динамика чтобы излучать звук должен колебаться сам и возбуждать в воздухе звуковые волны.

Если заставить колебаться (возбудить) один из таких предметов, например щёлкнув пальцем по краешку диффузора динамика, то звук получится неоднородным. Одна из частот будет всегда звучать несколько громче остальных. Это так называемая частота собственного резонанса (резонансная частота).

И есть нюансы. Для струны музыкального инструмента желательно колебаться так, чтобы нота, издаваемая ею, звучала четко и не смешивалась с другими обертонами. Это позволяет музыканту играть мелодию.

А вот для динамика наоборот важно, чтобы резонанс не был слышен и не влиял на звучание. Иначе АЧХ будет, мягко говоря, неидеальной.

К счастью, ниже резонансной частоты динамик обычно не способен издавать более-менее громкий звук. Но если его заставить это делать принудительно (например, "навалить" басов эквалайзером), то ничего хорошего не выйдет в любом случае. Получим тонны искажений и призвуков. Да и шанс физически повредить динамик вырастет кратно.

На практике разработчики акустики стараются выбирать рабочий диапазон динамика так, чтобы звучать начинало как минимум на октаву выше резонансной частоты. Тогда шансы получить чистый и точный звук вырастают существенно.

Данный подход хорошо работает для динамиков СЧ и ВЧ-диапазонов. Низкочастотный динамик подбирают исходя из того, что работать он будет начиная непосредственно с резонансной частоты.

Это позволяет несколько расширить басовый диапазон, в том числе и за счет правильного акустического оформления (об этом тоже чуть позднее).

Безусловно, было бы замечательно отыскать такой басовик, который можно было задействовать с октавного повторения резонанса. Но увы, для частоты 40 Гц собственный резонанс излучателя должен быть на частоте 4Гц. Таких динамиков в реальном мире не существует. По крайней мере, я про подобные даже не слышал...

Итак, подведем промежуточный итог: реальный диапазон работы динамика с левой стороны графика (низкочастотный) ограничен резонансной частотой излучателя.

Ограничения справа (ВЧ-диапазон)

Способность динамика воспроизводить высокочастотную составляющую звука ограничена тоже его физическими свойствами (Ну а чем ещё?!).

Чтобы понять, как действует это ограничение, давайте снова обратимся к музыкальным инструментам. Например, возьмем гитару 🎸. Чтобы получить низкую ноту нам придется дернуть самую длинную, толстую и массивную струну.

И наоборот, чтобы извлечь максимально высокий тон, мы используем самую тонкую струну, да еще и прижмём ее к такому ладу инструмента, чтобы звучащая часть оказалась максимально короткой и легкой. Это связано в том числе и с тем, что длина звуковой волны на ВЧ значительно меньше, чем в басовом регистре.

Этот простой эксперимент помогает догадаться, что для воспроизведения высоких частот желательно взять излучатель минимального размера и веса. В этом случае ему будет "проще" колебаться с большой скоростью и точнее (быстрее) реагировать на входящий в динамик звуковой импульс.

Теперь ежу понятно, что большой и относительно тяжелый диффузор мидбаса просто физически не способен качественно воспроизвести высокие частоты. Поэтому его АЧХ будет естественным образом заваливаться выше определенной частоты. Чтобы получить звук выше этого завала нам придется задействовать легкий и компактный излучатель твиттера (ВЧ-динамика).

Итак, ограничение графика АЧХ справа (ВЧ) обеспечивается естественным спадом излучения выше определенной частоты.

Высокочастотные динамики конструируют таким образом, чтобы спад начинался значительно выше 20000 Гц (считается что выше этой частоты человек не слышит) и с максимально ровной полочкой рабочего диапазона (октава плюс от РЧ слева и "до упора" справа).

Остальные излучатели - как получится. От того, насколько ровно "получилось", цена на динамик может отличаться на порядки. Здесь также настоятельно не рекомендуется искусственно расширять диапазон за счет принудительной коррекции АЧХ входящего сигнала. Иначе искажений будет больше, чем звука.

Подробнее об искажениях я писал в отдельном посте.

Переходим к практике

Итак, в теории вроде разобрались. Осталось понять как теперь использовать эти знания при выборе динамиков для конкретного сетапа?

Вопрос первый: где взять информацию о резонансной частоте, частоте спада на ВЧ и, собственно, АЧХ конкретного динамика?

Как правило, серьезные производители снабжают свои динамики даташитом - паспортом изделия, в котором указаны эти и другие параметры. Для первоначального выбора этой информации может быть вполне достаточно. Кроме того в Интернете для популярных динамиков есть достаточно информации о реальных измерениях от других разработчиков.

Стоит помнить, что производители нередко лукавят, указывая несколько более приятные параметры, чем в реальности. Но в целом, для начального ориентира - пойдет.

Если какие-то динамики уже есть в наличии, а информации о них найти не удалось, то единственный способ - самостоятельно измерить параметры. Это потребует собрать простенькое измерительное устройство и слегка ознакомиться с методиками измерений.

Не самый простой путь, но вы взялись проектировать акустическую систему, поэтому придется эволюционировать. Об измерениях также поговорим позже.

Кстати, вспомнил, что уже писал на тему подбора динамиков в другое сообщество. В статье некоторые моменты рассмотрены немного шире. Поэтому рекомендую к прочтению.

В следующем посте я собираюсь рассказать как и по каким критериям я подбирал динамики для своего проекта. Поясню что послужило аргументами для выбора конкретного комплекта.

Как всегда, готов ответить на вопросы в комментариях и принять коммерческую поставку фуёв в тачку🛒 за стиль изложения и прочее. На рейтинг мне как-то по барабану, а ваши лайки и комментарии просто приятны и служат единственным стимулом продолжать тему. Так что действуйте!

Внезапно понял, что слушать музыку дома мне не на чем. Да, я разработал и собрал десятки отличных АС, они работают и приносят людям радость. Но... Так получалось, что сам слушаю, собственно, только их в процессе сборки и отладки.

Я решил, что это неправильно, и задумал создать, наконец, что-то для себя любимого. Ибо музыки в коллекции полно, время тоже есть. А вот слушать-то и не на чем. Парадокс сапожника!

Создавать решил с нуля. Почему? Во-первых, накопилось много новых идей и опыта. Во-вторых, для себя можно чуть больше повозиться без оглядки на стоимость и технологичность для повторения проекта. Пусть это будет нечто бескомпромиссно-прекрасное и уникальное.

Конечно же, определенные ограничения соблюсти придется. Например, габариты комнаты для прослушивания предполагают что-то более-менее компактное. Поэтому д'Апполито-подобные системы исключены, хоть и люблю эту компоновку.

Из других требований: акустику хочу с линейной АЧХ: полка +-3dB начиная с 35 ГЦ и до 20000Гц. С ровными фазовыми характеристиками и четким небубнящим басом.

Опыт подсказывает, что это будет трехполосная система. Считается, что три полосы свести сложнее, чем традиционные две. Но отсутствие допплеровского блеяния при проигрывании более-менее глубоких басов перекрывает с лихвой все сложности.

В общем, определился. Это будет компактный корпус литров на 40. Фазоинверторный с достаточно широким тоннелем. Собирать буду на динамиках от Seas - просто есть в загашниках неплохой сетап.

Собираюсь подробно рассказать о разработке и всех нюансах проектирования здесь, если тема вызовет достаточный интерес. Тут вроде просили пошаговое руководство. Не уверен, что это будет легко повторить, но, надеюсь, поможет кому-то в разработке собственной системы.

Ппродолжение: Выбор динамиков. Немного теории и практики

И снова о динамиках: Поговорим об искажениях

Из всех искажений, известных науке, нам в аспекте конструирования акустической системы интересны в основном два их вида: Линейные и нелинейные. Именно от их количества и особенностей напрямую зависит как будет звучать наша акустика. Давайте рассмотрим что такое искажения с точки зрения звукоинженера и чем первый тип отличается от второго.

При преобразовании электрического сигнала в звуковой неизбежно возникают искажения, то есть отклонения формы и спектра выходного сигнала от входного. Искажения могут быть разных видов, но наиболее важными для динамических излучателей звука являются линейные и нелинейные искажения. Что это такое, чем они отличаются, и откуда берутся?

Линейные искажения

Линейные искажения не зависят от амплитуды входного сигнала, а только от его частоты. Они приводят к изменению амплитуды и фазы отдельных гармоник в спектре сигнала, но не к появлению новых гармоник. Простой пример линейных искажений — эквализация сигнала. Линейные искажения могут быть частотными и фазовыми.

Частотные искажения вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики динамика.

Как я уже писал, АЧХ показывает, как меняется коэффициент усиления динамического излучателя звука в зависимости от частоты входного сигнала. Идеально, этот коэффициент должен быть постоянным во всем диапазоне частот (полка), но на практике это не так. Динамический излучатель звука имеет определенную полосу пропускания, в пределах которой он может воспроизводить сигнал с приемлемыми искажениями. За пределами этой полосы пропускания коэффициент усиления резко падает, что приводит к затуханию высоких и низких частот.

Кроме того, внутри полосы пропускания коэффициент усиления может неодинаково зависеть от частоты, что приводит к изменению тональности звука  -  “кривой” АЧХ. Поэтому при оценке звучания разных динамиков часто возникают описательные характеристики. Такие, как: “глухой”, “гнусавый”, “мутный”, “яркий” звук и т.д. На самом деле все это обозначает недостаток одних частот и избыток других в звуковой составляющей.

Частотные искажения могут быть оценены с помощью коэффициента частотных искажений, который равен отношению коэффициента усиления на средних частотах к его значению на данной частоте.

Фазовые искажения вызваны неравномерностью  фазо-частотной характеристики динамического излучателя звука.

Фазо-частотная характеристика показывает, как меняется фаза выходного сигнала относительно входного в зависимости от частоты. Идеально, фаза должна быть линейной во всем диапазоне воспроизводимых частот, но в реальности все куда хуже.

Динамический излучатель звука имеет определенную инерционность, которая приводит к запаздыванию выходного сигнала относительно входного. Это запаздывание зависит от частоты сигнала: чем выше частота, тем больше запаздывание. Это приводит к нарушению фазовых соотношений между отдельными гармониками в спектре сигнала, что влияет на его форму и тембр.

Фазовые искажения могут быть оценены с помощью коэффициента фазовых искажений, который равен разности фаз между выходным и входным сигналами на данной частоте.

Фазовые искажения очень сильно влияют на качество передачи детализации звука, точности воспроизведения тембра, динамику и спектр. АС с высоким уровнем таких искажений будут воспроизводить “плоскую” звуковую картину. Звук будет восприниматься как “прилипший” к колонкам, потерявший глубину сцены и пространство.

И напротив, если АС сведены с линейной фазой,  даже один моно-канал будет создавать “стереоэффект” - звук будет субъективно располагаться в пространстве вокруг акустики, а не идти из динамиков. Опытные разработчики способны сразу услышать качество фазового сведения. Да и обычные пользователи, которым довелось владеть фазокогерентной акустикой некоторое время, уже никогда не перепутают ее звучание с “несфазированными” АС.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала, а не от его частоты. Нелинейные искажения приводят к появлению в спектре выходного сигнала новых гармоник, которые не присутствовали во входном сигнале. Такие искажения могут быть гармоническими и интермодуляционными.

Гармонические искажения вызваны нелинейностью характеристики динамика. Характеристика излучателя показывает, как меняется выходное напряжение в зависимости от входного. Идеально, эта зависимость должна быть линейной, то есть пропорциональной, но это только в теории. В реальной жизни динамик имеет определенные пределы, в которых он может работать без искажений. Если входное напряжение превышает эти пределы, то излучатель входит в режим насыщения, когда выходное напряжение перестает расти и остается постоянным. Это приводит к искажению формы сигнала, которая становится более острой и угловатой. В результате в спектре сигнала появляются новые гармоники, которые являются кратными основной частоте сигнала.

Гармонические искажения могут быть оценены с помощью коэффициента гармонических искажений, который равен отношению амплитуды всех гармоник, кроме основной, к амплитуде основной гармоники.

О природе гармонических искажений у меня есть отдельный пост.

Интермодуляционные искажения вызваны нелинейностью характеристики динамического излучателя звука при подаче на его вход сигнала, содержащего несколько разных частот. Если на вход динамического излучателя звука подается сигнал, состоящий из двух или более гармоник, то из-за нелинейности характеристики динамического излучателя звука в спектре выходного сигнала появляются новые гармоники, которые являются суммой и разностью частот входных гармоник. Эффект Допплера, описанный в посте про выбор динамиков, как раз пример интермодуляции.

Это приводит к искажению тембра звука, особенно при воспроизведении сложных музыкальных сигналов.  Такой вид искажений оценивают с помощью коэффициента интермомодуляционных искажений, который равен отношению амплитуды новых гармоник, появившихся в результате взаимомодуляции, к амплитуде основных гармоник.

Итак, линейные и нелинейные искажения — два основных вида искажений, которые возникают в динамических излучателях звука при преобразовании электрического сигнала в звуковой.

Линейные искажения не зависят от амплитуды входного сигнала, а только от его частоты, и приводят к изменению амплитуды и фазы отдельных гармоник в спектре сигнала.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала, а не от его частоты, и приводят к появлению в спектре сигнала новых гармоник, которые не присутствовали во входном сигнале. Искажения влияют на качество звука, поэтому важно учитывать их при разработке и выборе динамических излучателей звука.

Спасибо за внимание! Если понравилось, ставьте плюс! Если непонятно - задавайте вопросы.

Всем хорошего звука