poster333

Акустические системы с круговой диаграммой направленности излучения (АС пространственного поля)

В. КОСТИН, г. Москва

Руководитель фирмы "Валанкон", один из инициаторов проведения и активный участник выставки "Российский Hi-End", рассказывает в статье об особенностях акустических систем с круговой диаграммой направленности, а также о вариантах их конструкции.

сновная задача электроакустического звуковоспроизведения (в самом идеализированном варианте) — обеспечить соответствие вторичного звукового поля в месте прослушивания первичному в месте, где происходит само действие. Находясь на улице, в лесу, в поле или в любом другом месте, прислушавшись, мы совершенно свободно можем локализовать источники этих звуков со всех сторон. Большинство источников звуков в окружающем нас мире близки к точечным (в сравнении с длиной волн звуковых колебаний). От этих источников исходит динамически меняющийся спектр частот и, в зависимости от местоположения источника звука над уровнем пола или земли, формируется полусферическая или сферическая волна. Возможно, мне возразят, приведя пример колеблющейся струны, но давайте возьмём электрогитару, на которой звукосниматель размещён ближе к концу струн. Вроде должны быть только высокие частоты, но звукосниматель передаёт широкий спектр частот. С каждого участка струны можно снять практически весь спектр частот колебаний.

Мысленно представим себе следующий эксперимент: в стене комнаты без окон на расстоянии, например, 2 м вырезаны два выходящих на улицу отверстия диаметром, равным диффузору громкоговорителя. Таким образом, мы получим эквивалент акустической системы, обладающей разной диаграммой направленности для различных частот, причём для высоких частот диаграмма будет уже. Мы сидим в комнате и стараемся понять, что происходит на улице. А теперь выйдем на улицу — звуки будут окружать нас.

Именно к воссозданию пространственного звукового поля и направлены усилия разработчиков акустических систем пространственного поля (АСПП). Большинство существующих систем — векторные, т. е. направленного излучения хотя бы в части полосы звуковых частот.

Задача озвучивания помещения состоит в том, чтобы наполнить его равномерным звуковым полем (давлением) во всех его точках без максимумов и провалов. Представим такой эксперимент — зеркальная комната, и её надо равномерно осветить. Если мы возьмём фонари направленного света (векторные излучатели), то получим отдельные
лучи света, отражённые от зеркальных стен, будут максимумы и провалы. Если мы возьмём ненаправленную матовую лампу (или две разнесённые лампы), то получим заполненное более равномерно светом помещение. Из этого эксперимента мы получим вывод: менее направленное излучение звука от АС создаёт более равномерное звуковое поле.


Применяемые динамические головки, как источники звука, не позволяют воспроизвести весь слышимый диапазон частот без заметных искажений.
Для решения этой проблемы выпускают полосовые головки, оптимизированные для своей полосы частот. Таким образом, АС состоят из нескольких головок, разнесённых на передней панели громкоговорителей, и на каждую из полосовых головок подаётся только часть спектра звукового сигнала, причём каждая из этих головок имеет свою диаграмму направленности.

В многополосных АС с разнесёнными динамическими головками существуют некоторые проблемы: разное время задержки сигналов в полосах из-за задержки в фильтрах кроссовера, нетоценность излучения спектра звука, что приводит к смещению диаграммы направленности в области разделения полос. Различная диаграмма направленности полосовых излучателей, в зависимости от места размещения слушателей, приводит к тембральной окраске звучания музыкальных инструментов.

Вывод: вторичное звуковое поле принципиально не может соответствовать первичному — рис. 1. Возникает неизбежный вопрос — что делать?

Сначала немного истории. В 1898 г. Оливером Лоджем изобретён динамический громкоговоритель, конструкция которого в основном сохранилась до сих пор. В 1948 г. на Лондонском "Радио-шоу" был представлен первый громкоговоритель "DualConcentric" фирмы Таппоу, это первый двухполосный коаксиальный излучатель, эквивалентный точечному.

Это действительно был прорыв, который сохраняет свои преимущества до настоящего времени, однако у коаксиального громкоговорителя с рупорным высокочастотным излучателем очень невелика область комфортного прослушивания из-за обострения направленности с ростом частоты сигнала. В коаксиальной конструкции высокочастотный излучатель находится в вершине конуса низкочастотного излучателя, который выполняет функцию подвижного^) рупора, влияя на тембральную окраску в зависимости от положения слушателя.

Следующий шаг к созданию АСПП сделал инженер В. И. Шоров. Разработанная им акустическая система 30АС103П выпускалась заводом "Янтарь" и была описана в [1]. Это двухполосная АС, где две динамические головки установлены в горизонтальной плоскости и направлены каждая на свой рассеивающий конус, переводя векторное излучение в скалярное (ненаправленное). Так как высокочастотный излучатель (головка) установлен над низкочастотным, то абсолютно точечного источника мы не получаем, но в горизонтальной плоскости получается источник с круговой диаграммой направленности.

Ещё одним шагом к созданию точечного всенаправленного (точнее, с диаграммой излучения) источника звука приводит к смещению диаграммы направленности в области разделения полос. Различная диаграмма направленности полосовых излучателей, в зависимости от места размещения слушателей, приводит к тембральной окраске звучания музыкальных инструментов.

Вывод: вторичное звуковое поле принципиально не может соответствовать первичному — рис. 1. Возникает неизбежный вопрос — что делать?

Сначала немного истории. В 1898 г. Оливером Лоджем изобретён динамический громкоговоритель, конструкция которого в основном сохранилась до сих пор. В 1948 г. на Лондонском "Радио-шоу" был представлен первый громкоговоритель "DualConcentric" фирмы Таппоу, это первый двухполосный коаксиальный излучатель, эквивалентный точечному.

Это действительно был прорыв, который сохраняет свои преимущества до настоящего времени, однако у коаксиального громкоговорителя с рупорным высокочастотным излучателем очень невелика область комфортного прослушивания из-за обострения направленности с ростом частоты сигнала. В коаксиальной конструкции высокочастотный излучатель находится в вершине конуса низкочастотного излучателя, который выполняет функцию подвижного^) рупора, влияя на тембральную окраску в зависимости от положения слушателя.

Следующий шаг к созданию АСПП сделал инженер В. И. Шоров. Разработанная им акустическая система 30АС103П выпускалась заводом "Янтарь" и была описана в [1]. Это двухполосная АС, где две динамические головки установлены в горизонтальной плоскости и направлены каждая на свой рассеивающий конус, переводя векторное излучение в скалярное (ненаправленное). Так как высокочастотный излучатель (головка) установлен над низкочастотным, то абсолютно точечного источника мы не получаем, но в горизонтальной плоскости получается источник с круговой диаграммой направленности.

Ещё одним шагом к созданию точечного всенаправленного (точнее, с диаграммой излучения) источника звука приводит к смещению диаграммы направленности в области разделения полос. Различная диаграмма направленности полосовых излучателей, в зависимости от места размещения слушателей, приводит к тембральной окраске звучания музыкальных инструментов.

Вывод: вторичное звуковое поле принципиально не может соответствовать первичному — рис. 1. Возникает неизбежный вопрос — что делать?

Сначала немного истории. В 1898 г. Оливером Лоджем изобретён динамический громкоговоритель, конструкция которого в основном сохранилась до сих пор. В 1948 г. на Лондонском "Радио-шоу" был представлен первый громкоговоритель "DualConcentric" фирмы Таппоу, это первый двухполосный коаксиальный излучатель, эквивалентный точечному.
явилась конструкция (рис. 2), предложенная Ю. Грибановым и А. Клячиным.

В ней на шести гранях корпуса АС установлены шесть пар головок. Эту АС нельзя назвать АСПП, так как присутствует векторная составляющая излучения. Но она является точечным всенаправленным источником звука. Есть ещё один недостаток: одинаковый сигнал излучается несколькими головками и невозможно добиться их синхронной работы и идентичности параметров. Это может приводить к потере тончайших нюансов звучания фонограммы.

Более полно идеологии АСПП соответствует так называемая контрапертурная АС (рис. 3), предложенная А. Виноградовым и А. Гайдаровым.


Создаётся виртуальный точечный всенаправленный источник звукового давления в полной полосе 34. Вертикальная составляющая звуковой волны несколько подавлена. Но мы опять возвращаемся к той же проблеме, что и в предыдущем случае, — не получается абсолютно симметричной структуры. На высоких частотах звуковые волны, излучаемые двумя головками, могут не совпадать по фазе, и возникшая интерференция приведёт к искажению исходного тембра. Искажения, конечно, меньше, чем в предыдущем способе (меньше головок), но проблема остаётся. Есть ещё одна проблема, связанная с подобной конструкцией. Использование двух широкополосных головок не всегда позволяет воспроизвести необходимый диапазон частот, даже если использовать коаксиальные (двухполосные). Необходимую трёхполосность в такой структуре реализовать не представляется возможным.

Принцип работы третьего типа АСПП легко понять из конструкции, условно изображённой на рис. 4. Исключение половины комплекта громкоговорителей контрапертурной АС позволяет избежать свойственных ей недостатков. Здесь также излучаются звуковые волны с круговой диаграммой направленности во всём диапазоне частот.

В настоящее время наша фирма, имеющая ряд патентов на подобные АС, выпускает АСПП по двум структурам. Двухполосные, изготовленные по рис. 5, выпускаются в трёх объёмах: 5, 10 и 40 л для бытового использования в жилых комнатах. Для небольших кинозалов выпускается специальная АСПП мощностью 1000 Вт, обеспечивающая высокое звуковое давление. Структура АСПП, изображённая на рис. 6, реализует трёхполосный принцип разделения спектра, что существенно упрощает проблему подбора головок. Среди изделий фирмы есть и АСПП с объёмом корпуса 70 л, она рассчитана на высококачественное воспроизведение стереофонических фонограмм.

Если говорить об особенностях АСПП, то в сравнении с АС прямого излучения можно предположить некоторое ослабление атаки в звучании инструментов, так как звук излучается во все стороны, а не направленно на слушателей.


Но что даёт использование подобных АС в реальных помещениях? Создаётся ровное пространственное звуковое поле — где бы вы ни находились, везде звук тембрально одинаков. Стоите вы перед АС или сбоку — звук не меняется, вас окружает однородное звуковое поле. Получается очень комфортное озвучивание больших площадей: необыкновенное ощущение комфортности и эмоциональной вовлечённости создают среду, недостижимую с обычными АС. Показанные здесь три типа АСПП не исчерпывают всего многообразия различных вариантов.

Утверждать однозначно, что какой-то звук лучше или хуже другого при превышении некоего порога качества, в значительной степени бессмысленно: восприятие — это область эмоций, а они разные, поэтому есть множество усилителей и акустических систем. Но что однозначно — этот звук ближе к окружающему нас естественному (эти эффекты достигаются в многоканальных системах пространственного звучания. — Ред.)


В качестве примера рассмотрим выпускаемую нашей фирмой акустическую систему АС200. Эта система изготавливается в настольном и подвесном варианте с применением динамических головок, выпускаемых ООО "Лаборатория АСА" [2]. Мы используем в качестве НЧ-головки модель В1602.8, а в качестве ВЧ-головки — Т252.4. На рис. 7 приведён упрощённый чертёж АС.

Подобная вертикальная конструкция АС позволяет использовать в качестве корпуса трубу, что выгодно отличает её от стандартных кубических корпусов. В качестве корпуса 11 (рис. 8) выбрана пластиковая труба ПВХ 200x4,9x2000, используемая, в частности, в канализационных системах. Одной трубы длиной 2 м достаточно для двух АС. Кольца 1,2, 6, 10 изготавливают из МДФ толщиной 16 мм. На рис. 9 приведён чертёж деталей 2, 6. Детали крепят к корпусу потайными саморезами 3x19 мм (3—4 шт.). На деталь 2, установленную в нижней части корпуса, крепится фильтр 9, она имеет отверстие для вывода сигнального провода. Деталь 6, на которой установлены динамические головки, крепится в корпусе 11 с условием, что верхняя плоскость кольца установлена заподлицо с нижним краем окон корпуса 11. Для прокладки провода, идущего к ВЧ-головке 4, в одно из крепёжных отверстий НЧ-головки 5 не устанавливают саморез, а пропускают провод на ВЧ-головку, которую закрепляют любым способом (на боках, на конструкции, спаянной из медной проволоки диаметром 1 ...1,5 мм) и фиксируют саморезами, которые крепят НЧ-головку. Основное требование — это обеспечение необходимого зазора между диффузором ВЧ-головки и рассеивающим конусом 3. Конус, показанный на рис. 10, можно изготовить из МДФ или толстого пластика. Для придания жёсткости пластиковый конус можно запенить.


Желательна глянцевая, лакированная поверхность конуса для уменьшения потерь на высоких частотах. Конус фиксируется на детали 2 с помощью клея.

В качестве звукопоглотителя используется тонкий синтепон, который набивают плотно; критерием плотности набивки является отсутствие бубнения в низкочастотном регистре. Можно попробовать насыпать слой толщиной 5...10 см мелкого активированного угля, который обязательно сверху закрыть синтепоном.

Детали 1 и 10 определяют внешний вид, их можно покрасить или фанеровать. Деталь 1 крепится к детали 2 на шкантах или мелкими саморезами, а деталь 10 — саморезами, с выпуском соединительного кабеля.

Для придания АС товарного вида можно пошить "чулок" из тонкой синтетической ткани и прикрепить её степлером к верхней и нижней детали 2.

Схема разделительного фильтра показана на рис. 11.


Катушку индуктивности L1 наматывают эмалированным проводом диаметром 0,5...0,8 мм на пластиковую трубу диаметром 25 мм, ширина намотки — 20 мм. 120 витков провода длиной 10,2 м создают индуктивность 0,3 мГн. Конденсатор С1 — К73-17 или К78-2 (лучше). Резистор R1 сопротивлением 0,2 Ом изготавливают из высокоомной проволоки: берут кусок длиной несколько метров, измеряют его сопротивление и откусывают соответствующую нужному сопротивлению часть. Диаметр проволоки должен быть не менее 0,2 мм. Фазу (полярность) включения головок определяют опытным путём. Здесь на схеме показана полярность, оптимизированная при измерении на "розовом" шуме.

Литература

1. Шоров В., Янков В. Акустическая система для самостоятельного изготовления. — Радио, 1997, № 4, с. 12—14.

2. Лаборатория АСА. — http://www. asalab. net (11.06.2014).