FAQ по акустическим системам от Soundwavestore. Контрапертурные АС

Подробный рассказ о самых лучших акустических системах и как определится с выбором для ваших нужд

Чтобы как следует разобраться в процессах, происходящих в ящике, на стенке которого смонтирован один или несколько динамиков, нужно вдумчиво прочитать пару-тройку книжек, в каждой из которых формул больше, чем во всем школьном курсе физики. Я забираться в такие дебри не буду, так что не стоит данный материал как исчерпывающий анализ или руководство по постройке аудиофильских колонок. Однако очень надеюсь, что он поможет начинающим меломанам (да и некоторым хроническим тоже) как следует сориентироваться в разнообразии акустических решений, каждое из которых его разработчики, разумеется, называют единственно правильным.

Некоторое время после изобретения в 1924 году электродинамического излучателя с коническим диффузором (окей, просто динамика), его деревянное обрамление исполняло в первую очередь декоративные и защитные функции. Оно и понятно — после долгих лет прослушивания пластинок через слюдяные мембраны и раструбы граммофонов, саунд нового устройства и безо всякой акустической доработки казался просто апофеозом благозвучия.

Мембраны граммофонов изготавливались чаще всего из алюминия или слюды

Однако технологии записи быстро совершенствовались и стало понятно, что более-менее правдоподобно воспроизвести слышимый диапазон динамиком, просто закрепленном на некой подставке, крайне проблематично. Дело в том, что предоставленная сама себе динамическая головка находится в состоянии акустического короткого замыкания. То есть волны от фронтальной и тыловой поверхностей диффузора, излучаемые, понятное дело, в противофазе, беспрепятственно накладываются друг на друга, что самым печальным образом отражается на эффективности работы, и в первую очередь на передаче басов.

Кстати, в процессе данного рассказа я буду чаще всего рассуждать именно о низких частотах, так как их воспроизведение — ключевой момент в работе любого корпуса АС. ВЧ-драйверы в силу малой длины излучаемых волн во взаимодействии с внутренним объемом колонки вообще не нуждаются, и чаще всего полностью от него изолированы.

Душа нараспашку

Самый простой способ отделить фронтальное излучения динамика от тылового — смонтировать его на щите как можно большего размера. Из этой простой идеи и родились, собственно, первые акустические системы, представлявшие собой ящик с открытой задней стенкой, поскольку для компактности края щита просто взяли, да и загнули под прямым углом. Однако в плане воспроизведения басов успехи подобных конструкций впечатляли не слишком. Помимо несовершенства корпуса проблема была еще и в очень небольшом по современным понятиям ходе подвески диффузоров. Чтобы хоть как-то выйти из положения, использовались динамики как можно большего размера, способные развивать приемлемое звуковое давление при небольшой амплитуде колебаний.

PureAudioProject Trio 15TB с 15-дюймовыми НЧ-драйверами на трехслойных бамбуковых панелях

Несмотря на кажущуюся примитивность подобных конструкций, у них имелись и кое-какие достоинства, причем настолько специфические и интересные, что адепты открытых АС не перевелись до сих пор.

Начать с того, что отсутствие каких-либо препятствий на пути звуковых волн - лучший путь к повышению чувствительности. Момент этот особенно ценен для аудиофильских ламповых усилителей, в особенности однотактных или лишенных обратной связи. Бумажные диффузоры большого диаметра даже на мощности порядка четырех-пяти ватт способны создать довольно-таки внушительный, и при этом на удивление открытый и свободный саунд.

При высоте 1,2 м в мире открытой акустики Jamo R907 считаются практически компактами

Что же касается тылового излучения, то чтобы не вносить искажений в прямой звук, оно должно приходить к слушателю с заметной задержкой (свыше 12-15 мс) — в таком случае его влияние ощущается как легкая реверберация, лишь добавляющая в саунд воздуха и расширяющая музыкальное пространство. Тонкость в том, что для создания этой самой «заметной задержки» колонки, разумеется, должны быть расположены на изрядном расстоянии от стен. К тому же большая площадь передней панели и внушительные размеры НЧ-драйверов соответствующим образом сказываются на общих габаритах АС. Одним словом, обладателей небольших и даже средних жилых комнат просьба не беспокоиться.

Кстати, частный случай открытых систем — акустика, построенная на электростатических излучателях. Только за счет почти невесомой диафрагмы большой площади, ко всем вышеописанным преимуществам, у электростатов добавляется способность филигранно передавать даже самые резкие динамические контрасты, а благодаря отсутствию разделения сигнала в зонах СЧ и ВЧ, еще и завидная тембральная точность.

Открытое оформление

Плюсы: Высококлассные открытые колонки — отличный способ получить реальный кайф от прослушивания пуристских ламповых однотактников.

Минусы: Про жирные компрессионные басы лучше забыть сразу. Весь звуковой тракт должен быть подчинен идее открытой акустики, а сами колонки придется выбирать из крайне ограниченного числа предложений.

Запертый в ящике

С ростом мощности и улучшением параметров усилителей сверхвысокая чувствительность акустики перестала быть главным камнем преткновения, а вот проблемы неравномерности АЧХ, и в особенности правильного воспроизведения басов, стали еще более актуальными.

Гигантский шаг к прогрессу в данном направлении сделал в 1954 году американский инженер Эдгар Вильчур. Он запатентовал акустическую систему закрытого типа, и это был отнюдь не трюк в стиле нынешних патентных троллей.

Патентная заявка Эдгара Вильчура на АС в закрытом оформлении

К тому моменту уже был изобретен фазоинвертор и, понятное дело, к ящику с дном динамик тоже примеряли неоднократно, только вот ничего хорошего из этого не получалось. Из-за упругости замкнутого объема воздуха приходилось или терять существенную часть энергии диффузора, или делать корпус непомерно большим, чтобы снизить градиент давления. Вильчур же решил обратить зло во благо. Он сильно понизил упругость подвеса, переложив таким образом контроль за движением диффузора на объем воздуха — пружину куда более линейную и стабильную, чем гофр или резиновое кольцо.

В закрытом ящике движения диффузора контролируются воздухом — в отличие от бумаги или резины он не стареет и не изнашивается

Так удалось не только полностью избавиться от акустического короткого замыкания и поднять отдачу на низких частотах, но и ощутимо сгладить АЧХ на всем ее протяжении. Однако обнаружился и минорный момент. Выяснилось, что демпфирование замкнутым объемом воздуха приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы и резкому ухудшению воспроизведения частот ниже данного порога. Для борьбы с такой неприятностью пришлось увеличивать массу диффузора, что логичным образом привело к снижению чувствительности. Плюс поглощение внутри «черного ящика» чуть ли не половины акустической энергии, не могло не внести вклада в снижение звукового давления. Одним словом, новому типу колонок потребовались усилители довольно серьезной мощности. К счастью, на тот момент они уже существовали.

Сабвуфер SVS SB13-Ultra с закрытым акустическим оформлением

Сегодня закрытое оформление применяется по большей части в сабвуферах, особенно в тех, что претендуют на серьезное музыкальное исполнительство. Дело в том, что для домашних кинотеатров энергичная отработка самых низких басов часто оказывается важнее динамической и фазовой точности на всем протяжении НЧ-диапазона. А вот объединив относительно компактный закрытый саб с приличными сателлитами, можно добиться куда более правильного звука — пускай и не наполненного сверхглубокими басами, зато крайне быстрого, собранного и четкого. Всё вышесказанное можно отнести и на счет полнодиапазонных колонок, «закрытые» модели которых изредка появляются на рынке.

Закрытый ящик

Плюсы: Образцовая скорость атаки и разрешение в низкочастотном диапазоне. Относительная компактность конструкции.

Минусы: Требуется достаточно мощный усилитель. Сверхглубоких басов на грани инфразвука добиться весьма затруднительно.

Дело — труба

Еще одним способом обуздания противофазного тылового излучения стал фазоинвертор, по-русски буквально «разворачиватель фазы». Чаще всего он представляет собой полую трубку, смонтированную на передней или задней поверхности корпуса. Принцип работы понятен из названия и незамысловат: раз избавляться от излучения обратной стороны диффузора трудно и нерационально, значит нужно синхронизировать его по фазе с фронтальными волнами и использовать на благо слушателей.

Амплитуда и фаза движения воздуха в фазоинверторе меняются в зависимости от частоты колебаний диффузора

По сути труба с воздухом является самостоятельной колебательной системой, получающей импульс от движения воздуха внутри корпуса. Обладая совершенно определенной частотой резонанса, фазоинвертор работает тем эффективнее, чем ближе колебания диффузора к частоте его настройки. Звуковые волны более высоких частот сдвинуть с места воздух в трубе просто не успевают, а более низкие хотя и успевают, но чем они ниже, тем сильнее смещается фаза излучения фазоинвертора, и, соответственно, его эффективность. Когда поворот фазы достигает 180 градусов, тоннель начинает откровенно и весьма эффективно глушить звук басового драйвера. Именно этим объясняется очень крутое падение звукового давления АС ниже частоты настройки фазоинвертора — 24 дБ/окт.

В борьбе с турбулентными призвуками конструкторы фазоинверторов постоянно экспериментируют

У закрытого ящика, между прочим, на частотах ниже резонансной спад АЧХ куда более плавный — 12 дБ/окт. Однако в отличие от глухой коробки, коробка с трубой в боковой стенке не заставляет конструкторов идти на любые хитрости ради максимального снижения резонансной частоты самого динамика, что довольно хлопотно и дорого. Тоннель фазоинвертора настроить куда проще — достаточно подобрать ее внутренний объем. Это, правда, в теории. На практике, как всегда, начинаются непредвиденные сложности, например, на больших уровнях громкости воздух на выходе из отверстия может шуметь почти как ветер в печном дымоходе. К тому же инертность системы частенько становится причиной падения скорости атаки и ухудшения артикуляции на басах. Одним словом, простор для экспериментов и оптимизации перед конструкторами фазоинверторных систем открывается просто невероятный.

Фазоинвертор

Плюсы: Энергичная отдача на НЧ, возможность воспроизведения самых глубоких басов, относительная простота и дешевизна изготовления (при изрядной сложности расчета).

Минусы: В большинстве реализаций проигрывает закрытому ящику в скорости атаки и четкости артикуляции.

Обойдемся без катушки

Попытки избавиться от генетических проблем фазоинвертора, а заодно и сэкономить на объеме корпуса без ущерба для глубины баса, натолкнули разработчиков на идею заменить полую трубу на мембрану, приводимую в движение колебаниями все того же рабочего объема воздуха. Проще говоря, в закрытом ящике установили еще один низкочастотный драйвер, только без магнита и звуковой катушки.

Пассивный излучатель может увеличить эффективную поверхность диффузора вдвое, или даже в трое, если в одной колонке они установлены парой

Конструкция получила название «пассивный излучатель» (Passive radiator), которое сплошь и рядом не слишком грамотно переводят с английского как «пассивный радиатор». В отличие от трубы сабвуфера, пассивный диффузор занимает куда меньше пространства в корпусе, не так критичен к расположению, и к тому же он, как и воздух внутри закрытого ящика, демпфирует ведущий драйвер, сглаживая его АЧХ.

Пассивный излучатель сабвуфера REL S/5. Основной драйвер направлен в пол

Еще один плюс — с увеличением площади излучающей поверхности для достижения нужного звукового давления требуется меньшая амплитуда колебаний, а значит, снижаются последствия нелинейной работы подвеса. Колеблются оба диффузора синфазно, а резонансная частота свободной мембраны настраивается точной регулировкой массы — к ней попросту подклеивают грузик.

Пассивный излучатель

Плюсы: Компактность корпуса при впечатляющей глубине басов. Отсутствие фазоинверторных призвуков.

Минусы: Увеличение массы излучающих элементов приводит к росту переходных искажений и замедлению импульсного отклика.

Выход из лабиринта

Акустика, вооруженная фазоинверторами и пассивными излучателями, воспроизводит глубокие басы благодаря резонаторам, работающим при посредничестве воздуха внутри АС. Однако кто сказал, что объем колонки не может играть роль низкочастотного излучателя сам по себе? Конечно может, и соответствующая конструкция называется акустический лабиринт. По сути, она представляет собой волновод, протяженностью в половину или четверть длины волны, на которой планируется добиться резонанса системы. Иными словами конструкция настраивается по нижней границе частотного диапазона АС. Конечно использовать волновод полной длины волны было бы еще эффективнее, но тогда для частоты, скажем, 30 Гц, его пришлось бы делать 11-метровым.

Акустический лабиринт — любимая конструкция акустиков-самодельщиков. Но при желании корпуса самой хитрой формы можно заказать и в готовом виде

Чтобы в колонке разумных размеров уместить даже вдвое более компактную конструкцию, в корпусе устанавливают перегородки, формирующие максимально компактный изогнутый волновод, поперечным сечением примерно равным площади диффузора.

От фазоинвертора лабиринт отличается в первую очередь менее «резонансным» (то есть не акцентированным на определенной частоте) звучанием. Относительно низкая скорость и ламинарность движения воздуха в широком волноводе препятствует возникновению турбулентности, порождающей, как мы помним, нежелательные призвуки. Кроме того, в данном случае драйвер свободен от компрессии, повышающей резонансную частоту, ведь его тыловое излучение не встречает практически никаких препятствий.

Схема для расчета корпуса на dbdynamixaudio.com

Бытует мнение, что акустические лабиринты создают меньше проблем со стоячими волнами в комнате. Однако при малейших просчетах в разработке или изготовлении, стоячие волны могут возникнуть в самом волноводе, который, в отличие от фазоинвертора, имеет куда более сложную структуру резонансов.

Вообще надо сказать, что грамотный расчет и точная настройка акустического лабиринта — процессы весьма непростые и трудоемкие. Именно по этой причине данный тип корпуса встречается нечасто, и только в АС очень серьезного ценового уровня.

Акустический лабиринт

Плюсы: Не только хорошая отдача, но и высокая тональная точность басов.

Минусы: Нешуточные размеры, очень высокая сложность (читай - стоимость) создания правильно работающей конструкции.

Эй, на пароме!

Рупор — самый древний и, пожалуй, самый провокационный тип акустического оформления. Выглядит круто, если не сказать эпатажно, звучит ярко, а временами… В старых фильмах герои иногда кричат друг другу что-то в рупор, и характерная окраска такого звука давно стала мемом и в музыкальном, и в киношном мире.

Avantgarde Acoustics Trio с низкочастотным рупорным массивом Basshorn XD высотой 2,25 м

Конечно от жестяной воронки с ручкой теперешняя акустика ушла очень далеко, но принцип работы все тот же — рупор повышает сопротивление воздушной среды для лучшего согласования с относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы динамика. Таким образом, повышается его КПД, а заодно и формируется четкая направленность излучения. В отличие от всех описанных ранее конструкций, рупор чаще всего используется в высокочастотных звеньях АС. Причина проста — его сечение увеличивается по экспоненте, и чем ниже воспроизводимая частота, тем большим должен быть размер выходного отверстия — уже на 60 Гц потребуется раструб диаметром 1,8 м. Понятно, что такие монструозные конструкции больше подходят для стадионных концертов, где их действительно периодически можно встретить.

Главный козырь адептов рупорного воспроизведения заключается в том, что акустическое усиление позволяет при заданной звуковой отдаче уменьшить ход мембраны, а значит, поднять чувствительность и улучшить музыкальное разрешение. Да-да, снова кивок обладателям ламповых однотактников. К тому же при грамотном расчете раструбы могут играть роль акустических фильтров, круто отсекая звук за пределами своей полосы и позволяя ограничиться самыми простыми, а потому вносящими минимальные искажения электрическими кросоверами, а иногда и вообще обойтись без них.

Системы Realhorns — особая акустика для особых случаев

Скептики же не устают напоминать о характерной рупорной окраске, особенно заметной на вокале, и придающей ему характерную гнусавость. Побороть данную неприятность действительно нелегко, хотя судя по тому, как играют лучшие образцы High-End-рупоров, вполне реально.

Плюсы: Высокий акустический КПД, а значит, отличная чувствительность и неплохое музыкальное разрешение системы.

Минусы: Характерная трудноустранимая окраска звука, недетские размеры средне- и тем более низкочастотных конструкций.

Круги на воде

Именно такой аналогией проще всего описать характер излучения контрапертурных акустических систем, впервые разработанных в Советском Союзе в 80-х годах прошлого века. Принцип работы нетривиален: пара одинаковых динамиков смонтирована так, что их диффузоры расположены друг напротив друга в горизонтальной плоскости и двигаются симметрично, то сжимая, то разжимая воздушную прослойку. В результате создаются кольцевые воздушные волны, равномерно расходящиеся во все стороны. Причем характеристики этих волн в процессе их распространения искажаются минимально, а их энергия затухает медленно — пропорционально расстоянию, а не его квадрату, как в случае обычных АС.

Duevel Sirius сочетает элементы рупорной и контрапертурной конструкций

Помимо дальнобойности и круговой направленности, контрапертурные системы интересны на удивление широкой вертикальной дисперсией (порядка 30 градусов против стандартных 4-8 гр.), а также отсутствием доплеровского эффекта. Для динамиков он проявляется в биениях сигнала, вызванных постоянным изменением расстояния от источника звука до слушателя из-за колебаний диффузора. Правда, реальная слышимость данных искажений до сих пор вызывает много споров.

Взаимное проникновение концентрических звуковых полей правой и левой колонок создают весьма обширную и равномерную зону объемного восприятия, то есть по сути вопрос точного позиционирования АС относительно слушателя становится не актуален.

Итальяно-российская контрапертурная акустика Bolzano Villetri

Характерная особенность контрапертуры в том, что звук, приходящий к слушателю фактически со всех сторон, хотя и создает впечатляющий эффект присутствия, не может в полной мере передать информацию о звуковой сцене. Отсюда рассказы слушателей об ощущении летающего по комнате рояля и прочих чудесах виртуальных пространств.

Контрапертура

Плюсы: Широкая зона эффектного объемного восприятия, натуралистичность тембров благодаря нетривиальному использованию волновых акустических эффектов.

Минусы: Акустическое пространство заметно отличается от звуковой сцены, задуманной при записи фонограммы.

И другие...

Если вы думаете, что на этом список вариантов оформления колонок исчерпывается, значит вы сильно недооцениваете конструкторский энтузиазм электроакустиков. Я описал только наиболее ходовые решения, оставив за кадром близкую родственницу лабиринта — трансмиссионную линию, полосовой резонатор, корпус с панелью акустического сопротивления, нагрузочные трубы...

Nautilus от Bowers & Wilkins — одна из самых необычных, дорогих и авторитетных в плане звучания акустических систем. Тип оформления — нагрузочные трубы

Подобная экзотика встречается довольно редко, но иногда она материализуется в конструкции с действительно уникальным звучанием. А иногда и нет. Главное не забывать, что шедевры, как и посредственности, встречаются во всех оформлениях, что бы ни говорили идеологи того или иного бренда.

Попытки улучшить акустические системы предпринимались со времён их возникновения. Новые технологии, инженерные решения, иные концепции создаются уже на протяжении 85 лет, но до сих пор фундаментальная наука, как таковая, мало касалась этой области. Возможно, это обусловлено отсутствием интереса у военных (раз не стреляет, значит не нужно) и больших корпораций (всё же изготовление колонок не самый прибыльный и объёмный бизнес), спонсирующих науку по крайней необходимости. Как бы то ни было, но принятые в своё время стандарты Hi-Fi были взяты производителями за основу, так как они полностью соответствуют представлениям о разрешающей способности человеческого слуха (воспроизводимый частотный диапазон и мера нелинейных искажений), и предпринимать какие-либо попытки дальнейшего улучшения - бессмысленно.

Но, практическим следствием введения Hi-Fi стандартов, неожиданно оказалось появление категории Hi-End. Любители и профессионалы постоянно пытаются создать акустику, которая звучит «так как надо», пусть и с попранием принятого положения о том что «человек большего и не услышит». Наверняка, читая журналы и интернет, вы встречались с постоянными спорами о звуке в среде аудиофилов и просто меломанов. «Эти колонки такие, а эти сякие» - никакой объективности. Согласитесь, это странно для уже давно устоявшейся науки. Представьте, как бы выглядел спор, что у равнобедренного треугольника, правое бедро всё же короче? Сегодня мы предлагаем вам взглянуть на акустику, как науку и её практическое применение, но с иной стороны.

Cамо слово «контрапертура» дословно означает противостоящие излучающие отверстия (от лат. apertura - отверстие). Понятие апертуры часто применяется в оптике, но в нашем случае, лучше понимать термин как «противостоящие источники звукового возбуждения». Такова архитектура колонок построенных по контрапертурному принципу. Два идентичных динамика соосно расположены друг против друга, и включены синфазно. То есть работают синхронно, без каких либо задержек, фазовых и частотных отличий. Казалось бы, разве подобная конструкция может правильно звучать, ведь динамики не смотрят на слушателя и мешают друг другу? Пора вспоминать физические основы.

Не следует понимать звук как колебательные потоки воздуха, распространяющиеся по комнате. Звуковая волна - это волна изменения давления. Вспомните круги на воде после попадания в неё капли. Сама вода никуда не течёт, она остаётся на месте, но по ней распространяются волны, которые и есть последствия вымещения объёма той самой капли. Причём это движение возвратно поступательное. Так и в воздухе, сами молекулы никуда не движутся, а только слегка смещаются, то навстречу друг другу, то наоборот, волнообразно меняя плотность среды.

При стандартной, привычной для нас конструкции колонок, зона разряженного/сжатого воздуха находится перед динамиком. Заметьте, не сам динамик является источником звука, а изменение концентрации молекул воздуха перед ним. У такого решения есть один значительный минус - так называемая «зона преобладания реактивной составляющей излучения», из-за большой длины низкочастотной волны по сравнению с размером излучателя и малой инертности воздуха. Из чего следует, что для полноценного прослушивания басов нужно находиться на некотором удалении от колонок, что порой невозможно. Поэтому, обычно мы слышим низкие частоты, отражённые от стен, в какой-то степени даже образованные там, что естественно, не сказывается положительно на субъективных ощущениях. Хотя объективно волна присутствует, правда, в несколько искажённом виде.

А что произойдет, если мы применим контрапертурный принцип? Давление создаётся в воздушном столбе между динамиками, и точка излучения находится также между ними. Создаётся, так называемый «монополь давления», точечный источник звука. И он не распределён частотно на изменчивом расстоянии от динамиков, а находится между ними, равномерно излучая во все стороны. Вот так просто решилась проблема «дальней зоны». Но появилась другая, которой, как покажет наше исследование, в общем-то, и нет.

Контрапертурная акустика создаёт звуковое давление, которое всегда физически представляет собою ненаправленный (скалярный) продукт, что часто пугает знатоков. «Как, же быть со стерео, да и отражения от стен комнаты умножатся в разы»,- говорят они. Первое, уж точно не может быть проблемой. В случае стереокомплекта мы имеем два монополя, а работу по преобразованию разностей двух каналов выполняет природа (принцип «Гюйгенса») и ваш мозг. При включении двух каналов не образуется какой-то особой области давления, в которой расположились две точки. Всю работу по локализации источников выполняет наш слуховой аппарат, а уже задача звукорежиссёров «обмануть» уши, применяя смещение фаз, задержки и изменения отношения громкости, чтобы получить необходимые образы. А с отражениями ситуация ещё проще. Дело в том, что направленные акустические системы ни в коей мере не свободны от проблемы отражённого звука, они точно также излучают волны во все стороны, но уже неравномерно. И в так называемой «VIP зоне», мы слышим нормальный сигнал, плюс сильно искажённый отражённый, но ослабленный. Впрочем, его ослабление, настолько незначительно, несмотря на все старания производителей, что особой роли не играет. В результате получается, что даже в не очень хорошей по акустическим параметрам комнате, колонки с круговой направленностью (или ненаправленные) смогут звучать заведомо лучше. Другое дело, что они всё равно не будут звучать хорошо, так как этого им не позволит само помещение, создавая резонансы и другие неприятные эффекты из-за своих архитектурных, конструктивных или иных особенностей. Эта проблема все же лечится изменением параметров комнаты, и колонки здесь совсем не при чем. Кстати, контрапертурная акустика увеличивает «VIP зону», потому что слушателю не нужно напряжённо сидеть ровно в вершине треугольника созданного стереопарой, боясь услышать искаженные сигналы, пришедшие от стен. Равномерное поле «чистого» звука шире, и критичность отражённых волн меньше, потому что хотя бы до стены они шли такие же, как и по направлению к вам, в отличие от колонок классической направленной конструкции. Но что удивительно, контрапертурный принцип позволяет избавиться от ещё одной напасти, которая присуща обычным системам, и раньше считалась практически неразрешимой.

{rdaddphp file=mix.php}

Дело в том, что человеческое ухо особенно чувствительно к эффекту допплеровской интермодуляции. Данный термин, несмотря на свою формулировку, пугающую неподкованного в физике человека, означает довольно простой эффект: фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука. Музыканты и звукорежиссёры знают его под названием «фленжер». А нам, можно просто прислушаться к проезжающей мимо машине или поезду, и отметить, каким образом меняется воспринимаемый звук, например, двигателя. Этот эффект хорошо знаком фанатам моделей летающих самолётов. Когда вы стоите рядом с кругом, по которому летает модель, звук мотора постоянно преображается в зависимости от положения самолёта, но если вы стоите в центре, и сами крутите его, то звук для вас будет одинаков. А обостренную чувствительность человеческого уха к эффекту доплеровской интермодуляции можно объяснить реагированием на опасность в окружающей среде. Мы должны различать не только изменение громкости, тем более оно для расстояния в несколько метров будет не значительным (а вопрос жизни может решить и несколько сантиметров), но и что-то другое, ради моментальной реакции. Выходит, малейшее изменение звука источника моментально обрабатывается нашим мозгом.

А теперь представьте себе динамик. Его мембрана очень быстро движется относительно вас. Взад и вперед. Следовательно, звук постоянно подвергается частотным и фазовым искажениям. Между прочим, исход настолько нехорош, что происходит даже гармоническая расстройка ноты. Казалось бы, динамик движется на минимальные расстояния, и этот эффект должен быть незаметен. Но, к сожалению, человеческое ухо, как уже упоминалось выше, настолько чувствительно, что и малейшие изменения играют заметную роль.

Внимание, вопрос! Так каким же образом контрапертурная акустика может избавиться от этого эффекта, в ней же используются такие же двигающиеся динамики? Любопытно, но решение этой проблемы лежало на поверхности. Доплеровская модуляция возникает, когда источник звука приближается или удаляется от слушателя, а в случае вертикальной (или горизонтальной) постановки мембрана динамика не совершает никаких перемещений относительно наших ушей. Также как и держащий в руке струну ведущую к авиамодели «пилот», как человек сидящий в поезде, самолёте или машине не слышит каких-либо изменений в звуке мотора. Источник звука относительно него находится на одном неизменном расстоянии. Дополнительно, два одинаковых, но противоположно направленных движения, компенсируют друг друга. Из этого вытекает и ещё один положительный эффект.

Слушать контрапертурную акустику более комфортно. Нашему мозгу не приходится постоянно обрабатывать поступающий звук, как звук, источником которого является движущийся взад-вперед объект (априорно - опасный по своей сути). Звучание становится, как нынче модно говорить «экологически чистым», сопоставимым со звуками живой природы. Конечно, это не снимает проблемы утомляемости от высокого уровня громкости, но уже не нагружает мозг дополнительной работой. Более того, наше сознание, в какой-то мере, отдыхает, при прослушивании натуральных звуков. Не зря у каждого второго (ну третьего точно) можно найти диски с названиями «Шум моря», «Вечерний лес» и т.п. Такие «композиции» позволяют людям расслабится, отдохнуть, почувствовать себя в безопасности.

А теперь, немного дёгтя в сладкую бочку, впрочем, не только контрапертурной акустике. Она может иметь недостатки, присущие всем другим системам. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики динамиков, корпусные резонансы, несогласованность с усилителем и подобные. Но хотя бы несколько, и очень насущных проблем, решить с её помощью удастся. А дальше, уже дело за прогрессом, он на месте стоять не привык.

В довершение всего, немного практики заинтересовавшимся. Контрапертурную конструкцию можно создать и не прибегая к установке двух противоположно установленных динамиков (здесь требуется прецизионной точность инсталляции и полная идентичность оных). Менее эффективный, но всё же отражающий суть, способ, прост. Если вместо второго динамика, в середине контрапертурного промежутка поместить отражающую поверхность (достаточно жёсткую, не создающую дополнительных резонансов), то мы получим такой же эффект. Приведем пример испытанный автором этой статьи на обычных мультимедийных колонках, стоящих, как в большинстве домов и офисов, рядом с компьютером. Напольную систему для такого эксперимента брать не рекомендуем, габариты не позволят обойтись малыми силами. Итак, колонки были поставлены на заднюю панель (их динамики смотрят в потолок), сверху на свободные места корпуса поставлены пачки сигарет, на которые аккуратно водружены пара книг. С тех самых пор, колонки так и стоят, производя на увидевших это сооружение людей неизгладимый эффект, и удивляет звуком, неожиданным для системы стоимостью в 30 долларов. Конечно, следует заметить, что в таком случае вам придётся подобрать расстояние от динамика до отражающей поверхности, наиболее соответствующее вашим условиям (размер динамика и т.п), а также, опыт не даст особых результатов если система будет иметь больше одного динамика, так как это уже подразумевает более сложную конструкцию.

И под занавес. Многие знают знаменитый коан из дзен: как звучит хлопок одной ладонью? Не правда ли, создаётся ощущение, что и классическая конструкция колонок реализует изначально логически невыполнимую задачу. И если тибетские философы таким образом тренируют разум, то мы, каждый в своём доме, просто слушаем хлопание одной ладони...

Довольно редкая тема архиредкого, экзотического типа акустических систем - известных как контрапертурные. Говоря откровенно, я смутно себе представлял, что это такое, зачем оно нужно и с чем его “едят”. Поэтому пришлось изрядно погуглить. Среди источников нашлись пара форумов, две научные статьи и один патент. Между тем, у меня есть желание охватить в этом цикле все существующие типы АС, и поэтому я решил не обходить эту бесспорно интересную тему стороной.

В Википедии и других источниках контрапертурные АС представляются как пример экономически и серийно необоснованных решений для пресловутого High End. Приверженцы контрапертурных АС считают их несправедливо забытой эволюционной ветвью звуковоспроизводящих устройств, позволяющих получить всенаправленное излучение и массу других замечательных эффектов невозможных при использовании другой архитектуры. Под катом подробно о контрапертурной акустике.

Как работает?

Сам термин “контрапертура” чаще используется в оптике, где обозначает соосно расположенные излучающие свет отверстия. В акустике смысл немного меняется, и вместо отверстий следует понимать громкоговорители.

Акустическое оформление в таких АС предполагает размещение двух идентичных динамиков (и тут величины, которыми можно пренебречь, становятся очень малы) строго друг напротив друга и их синфазное включение. Важно, чтобы излучатели не имели фазовых задержек и частотных отличий (это в разы увеличивает стоимость компонента). При соблюдении этих условий волны от противонаправленных динамических головок контрапертурной АС излучают результирующую волну со сферическим фронтом (т.е, фактически, представляют собой всенаправленный излучатель).

Эти принципы контрапертурного излучения были описаны в работе Л.В. Головкиной “Creation speakers in all sides direction in acoustics”. Там отмечалось, что можно определить оптимальное расстояние между соосно расположенными динамиками для появления эффекта всенаправленного излучения.

“Это расстояние определяется углом раскрыва диаграммы направленности головки и суммарным звуковым давлением, создаваемым на некотором расстоянии от головки при подведении определенной мощности.“ (Головкина)

Контрапертурная и полуапертурная АС 1, 2 – корпуса для широкополосных головок (3), отражающая пластина - 4.

Также известны т.н. полуапертурные АС, где вместо второго излучателя применяется специальная пластина. Принцип остаётся близким, с той лишь разницей, что эффект достигается с использованием отраженных волн.

Эксперты отмечают незначительные различия в результирующих волнах при использовании контрапертурного и полуапертурного излучения.

Результаты измерения АЧХ (полного контрапертурного излучателя: сплошная линия – 1 и полуапертурного: пунктирная линия – 2):

Зависимость усредненного уровня звукового давления излучателей от расстояния:

1. 1два контрапертурных излучателя;
2. две обычные системы (стереопара)
3. одна обычная акустическая система;
4. один полуапертурный излучатель;
5. два полуапертурных излучателя;
6. один контрапертурный излучатель.

Сходство было подтверждено в работе Головкиной Л.В., Умярова Р.Я. “Исследование контрапертурных излучателей в акустике ”, которые были проведены в Харьковском национальном университете радиоэлектроники.

Зачем и как это используют?

В отличии от многих нерациональных, бессмысленных, коммерчески спекулятивных решений в High End, применение контрапертурного излучения имеет как физическое, так и психоакустическое обоснование. Описаны эффекты, сказывающиеся на верности воспроизведения.

Диаграмма направленности

При взаимодействии волн соосно расположенных динамиков звуковое давление создаётся в воздушном “столбе” между ними. Возникает т.н. “монополь давления” или точка всенаправленного излучения. Таким образом расширяются вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности.

Логично, что при использовании всенаправленного излучения зона комфортного прослушивания увеличивается. Соответственно, нет необходимости в поиске “вершины треугольника” для создания корректной стереопанорамы и правильного расположения КИЗ (кажущихся источников звука). Таким же образом решается проблема “дальней зоны”, в которой прослушивание становится более комфортным.

На форумах доводилось встречать аргументы из серии: “Таким образом увеличится количество отражений, звук станет кашей и диаграмма направленности будет не нужна!”

Хочу отметить, что отражения бесспорно будут, как и при использовании АС с классической архитектурой. Соответственно, без акустической обработки помещения обойтись будет нельзя. При этом у классических АС отражений никак не меньше, просто они неравномерны и точно также требуют соответствующих решений в отделке стен и т.п.

Немного о доплеровской интермодуляции

Практически все, кому доводится писать о контрапертурной акустике, упоминают о допплеровской интермодуляции. На сайте “Основы акустики ” этому термину дано следующее определение: “Фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука”.

Если упрощенно, то причиной этих искажений является изменение расстояния от мембраны громкоговорителя до слушателя. Любой драйвер с электромеханическим принципом излучения (динамик, изо (орто)динамик, электростат и т.п.) не избавлен от этого недостатка при классической архитектуре системы.

Считается, что высокая чувствительность слуха к доплеровской интермодуляции обусловлена нейропсихологически. На ней основан механизм определения расстояния до тех или иных объектов с помощью слуха. Такая способность слуха развивалась эволюционно как индикатор вероятной опасности (движущегося объекта). По этой причине даже незначительные изменения расстояния от мембраны динамика до уха могут восприниматься на слух, создавая эффект естественного фленжера (приближающийся/удаляющийся поезд).

В случае с контрапертурными излучателями источник излучения (“монополь давления”) является статичным, и не перемещается, соответственно, и эффект флэнжера доплеровской интермодуляции не возникает.

Гипотеза психоакустического комфорта

Ряд авторов отмечают “высокую естественность” и “субъективный психологический комфорт” от музыки, воспроизведенной через контрапертурную акустику. Утверждается, что причиной этих эффектов является отсутствие описанного выше изменения расстояния.

Иными словами, постоянно движущийся взад-вперед объект воспринимается мозгом как более опасный (на уровне базовых рефлекторных реакций), а неподвижный - как менее опасный. Такие суждения остаются гипотетическими и пока не нашли экспериментального подтверждения, но популярны как среди меломанов, так и среди исследователей психоакустики.

Сухой остаток: достоинства и недостатки

Итак, достоинства:

1. Всенаправленность излучения.
2. Круговая горизонтальная и широкая вертикальная диаграммы направленности.
3. Отсутствие доплеровской интермодуляции.
4. Гипотетический рефлекторный комфорт (не подтвержден).

Специфическими недостатками контрапертурных АС считают:

1. Сложности с точным соосным размещением динамиков.
2. Отсутствие экспериментальных данных по базовым характеристикам многополосных контрапертурных АС.
3. Усложнение конструкции АС, особенно в случае использования многополосной схемы и, соответственно, снижение технологичности.
4. Подбор пар громкоговорителей со строго идентичными частотными характеристиками.
5. Снижение допустимой технологической погрешности при монтаже излучателей и отражателей.
6. Увеличение себестоимости (необходимость в использовании дополнительных громкоговорителей и отражателей).

И как следствие всего перечисленного выше - астрономическая цена.

Эти недостатки сделали контапертурную акустику, пожалуй, самым непопулярным типом АС для массового производителя. Кроме того, как и для любой другой акустической системы, для контрапертурных моделей характерны такие распространенные проблемы, как резонансы корпуса, кривая АЧХ, THD, IMD, проблемные фильтры, которые “крутят фазу” и пр.

Итог

Самым заметным и наиболее ценным эффектом контрапертурных АС является расширение “зоны комфорта” при прослушивании, за счет круговой диаграммы направленности. Доплеровская интермодуляция и гипотетический психоакустический комфорт - это очень красивые, но мало убедительные аргументы в пользу таких АС.

Как мне представляется - это одни из наименее заметных проблем, которые могут существовать в акустических системах. По моему опыту, эффект фленджера становится по-настоящему существенным при расстояниях от нескольких метров (приближающийся поезд), что вряд ли сравнимо с колебаниями мембраны динамического громкоговорителя. А гипотетическая опасность движущихся объектов, полагаю, спорный теоретический аргумент.

Справедливости ради хочу отметить, что немало людей не разделяют мою точку зрения и утверждают, что доплеровская интермодуляция серьезно портит звук. Слепых тестов, ввиду редкости такой акустики, проводить и наблюдать не приходилось. Если у читателей есть сведения по поводу заметности этих эффектов и “уникальном комфорте“ при прослушивании контрапертурных колонок - буду признателен за Комменты.

При всей первоначальной привлекательности идеи, всё портит конечная стоимость продукта, которая увеличивается ещё и в связи с тем, что сам продукт - экзотическая редкость. На современном рынке аудио мне известно 2 серийных производителя.

В нашем блоге ещё не поднималась тема архиредкого, экзотического типа акустических систем - известных как контрапертурные. Говоря откровенно, я смутно себе представлял, что это такое, зачем оно нужно и с чем его “едят”. Поэтому пришлось изрядно погуглить. Среди источников нашлись пара форумов, две научные статьи и один патент. Между тем, у меня есть желание охватить в этом цикле все существующие типы АС, и поэтому я решил не обходить эту бесспорно интересную тему стороной.

В Википедии и других источниках контрапертурные АС представляются как пример экономически и серийно необоснованных решений для пресловутого High End. Приверженцы контрапертурных АС считают их несправедливо забытой эволюционной ветвью звуковоспроизводящих устройств, позволяющих получить всенаправленное излучение и массу других замечательных эффектов невозможных при использовании другой архитектуры. Под катом подробно о контрапертурной акустике.

Как работает?

Акустическое оформление в таких АС предполагает размещение двух идентичных динамиков (и тут величины, которыми можно пренебречь, становятся очень малы) строго друг напротив друга и их синфазное включение. Важно, чтобы излучатели не имели фазовых задержек и частотных отличий (это в разы увеличивает стоимость компонента). При соблюдении этих условий волны от противонаправленных динамических головок контрапертурной АС излучают результирующую волну со сферическим фронтом (т.е, фактически, представляют собой всенаправленный излучатель).

Эти принципы контрапертурного излучения были описаны в работе Л.В. Головкиной “Creation speakers in all sides direction in acoustics”. Там отмечалось, что можно определить оптимальное расстояние между соосно расположенными динамиками для появления эффекта всенаправленного излучения.

“Это расстояние определяется углом раскрыва диаграммы направленности головки и суммарным звуковым давлением, создаваемым на некотором расстоянии от головки при подведении определенной мощности.“ (Головкина)

1, 2 – корпуса для широкополосных головок (3), отражающая пластина - 4.

Эксперты отмечают незначительные различия в результирующих волнах при использовании контрапертурного и полуапертурного излучения.

Результаты измерения АЧХ полного контрапертурного излучателя
(сплошная линия – 1) и полуапертурного (пунктирная линия – 2)

Зависимость усредненного уровня звукового давления излучателей от расстояния
1 – два контрапертурных излучателя; 2 – две обычные системы (стереопара);3 –
одна обычная акустическая система; 4 – один полуапертурный излучатель; 5 –
два полуапертурных излучателя; 6 – один контрапертурный излучатель.

Зачем и как это используют?

Диаграмма направленности
При взаимодействии волн соосно расположенных динамиков звуковое давление создаётся в воздушном “столбе” между ними. Возникает т.н. “монополь давления” или точка всенаправленного излучения. Таким образом расширяются вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности.

На форумах доводилось встречать аргументы из серии:

“Таким образом увеличится количество отражений, звук станет кашей и диаграмма направленности будет не нужна!”

Немного о доплеровской интермодуляции

Если упрощенно, то причиной этих искажений является изменение расстояния от мембраны громкоговорителя до слушателя. Любой драйвер с электромеханическим принципом излучения (динамик, изо (орто)динамик, электростат и т.п.) не избавлен от этого недостатка при классической архитектуре системы.

Считается, что высокая чувствительность слуха к доплеровской интермодуляции обусловлена нейропсихологически. На ней основан механизм определения расстояния до тех или иных объектов с помощью слуха. Такая способность слуха развивалась эволюционно как индикатор вероятной опасности (движущегося объекта). По этой причине даже незначительные изменения расстояния от мембраны динамика до уха могут восприниматься на слух, создавая эффект естественного фленжера (приближающийся/удаляющийся поезд).

В случае с контрапертурными излучателями источник излучения (“монополь давления”) является статичным, и не перемещается, соответственно, и эффект флэнжера доплеровской интермодуляции не возникает.

Гипотеза психоакустического комфорта
Ряд авторов отмечают “высокую естественность” и “субъективный психологический комфорт” от музыки, воспроизведенной через контрапертурную акустику. Утверждается, что причиной этих эффектов является отсутствие описанного выше изменения расстояния.

Иными словами, постоянно движущийся взад-вперед объект воспринимается мозгом как более опасный (на уровне базовых рефлекторных реакций), а неподвижный - как менее опасный. Такие суждения остаются гипотетическими и пока не нашли экспериментального подтверждения, но популярны как среди меломанов, так и среди исследователей психоакустики.

Сухой остаток: достоинства и недостатки

1. Всенаправленность излучения.
2. Круговая горизонтальная и широкая вертикальная диаграммы направленности.
3. Отсутствие доплеровской интермодуляции.
4. Гипотетический рефлекторный комфорт (не подтвержден).

1. Сложности с точным соосным размещением динамиков.
2. Отсутствие экспериментальных данных по базовым характеристикам многополосных контрапертурных АС.
3. Усложнение конструкции АС, особенно в случае использования многополосной схемы и, соответственно, снижение технологичности.
4. Подбор пар громкоговорителей со строго идентичными частотными характеристиками.
5. Снижение допустимой технологической погрешности при монтаже излучателей и отражателей.
6. Увеличение себестоимости (необходимость в использовании дополнительных громкоговорителей и отражателей).

Итог

Как мне представляется - это одни из наименее заметных проблем, которые могут существовать в акустических системах. По моему опыту, эффект фленджера становится по-настоящему существенным при расстояниях от нескольких метров (приближающийся поезд), что вряд ли сравнимо с колебаниями мембраны динамического громкоговорителя. А гипотетическая опасность движущихся объектов, полагаю, спорный теоретический аргумент.

Справедливости ради хочу отметить, что немало людей не разделяют мою точку зрения и утверждают, что доплеровская интермодуляция серьезно портит звук. Слепых тестов, ввиду редкости такой акустики, проводить и наблюдать не приходилось. Если у читателей есть сведения по поводу заметности этих эффектов и “уникальном комфорте“ при прослушивании контрапертурных колонок - буду признателен за Комменты.

При всей первоначальной привлекательности идеи, всё портит конечная стоимость продукта, которая увеличивается ещё и в связи с тем, что сам продукт - экзотическая редкость. На современном рынке аудио мне известно 2 серийных производителя.

Джинса
В нашем

Всем привет.

Закончил проект экспериментальных акустических систем, компоновка контрапертура (омниполярные), то есть все направленные. Итак задача была следующей:

1. полочная акустика

2. двухполоска

3. широкополосный динамик 8 дюймов + вч динамик

4. контрапертура

5. внешний вид - стимпанк

6. объёмное звучание

7. желательно ровное АЧХ, но не обязательно на данном этапе

8. чтобы помещалась на стойке

В итоге в интернете ни чего не нашёл хотя бы близко похожее на заявленные параметры, что не удивительно. Уж очень не обычные требования. Пришлось придумывать свою конструкцию, разделять один объём на две части и соединять их каналом (трансмиссионная линия) а более точную настройку производить фазоинвертором во втором объёме, между ними отражатель для СНЧ-ВЧ. Широкополосной динамик 8 дюймов выбрал Асалаб (как оказалось не самый лучший вариант) Ш-2000. Вч-динамик VISATON G20SC (шикарный динамик, ну не худший это точно) до 20 кГц играет спокойно и судя по графикам и до 30кГц доходит. В качестве фильтра только один конденсатор на вч-динамик. Скажу сразу получилось реализовать не все задумки, но обо всём по порядку.

Распускаю материал погружной пилой.

Монтирую заготовки в сборки и подготавливаю к склейке.

Произвожу склейку сборки в готовый корпус.

Фрезерую детали для туннеля.

Склеиваю туннель в единую конструкцию.

Перехожу к склейке цилиндра, он создаёт дополнительный объём и выполняет декоративные функции.

Оклеиваю шпонам «Американского ореха» корпуса.

Детали корпусов готовы к сборке.

Собираем всё до конца и смотрим на результат.

По результатам измерений становится ясно, что АЧХ далека от идеала, что подтвердило прослушивание.

1 Провал на середине обусловлен не развитым отражателем и дефектами широкополосного динамика Асалаб. В целом приводит к окраске в звучании.

2 Подъем на 600 герц по тем же причинам, переделка динамика и отражателя скорей всего исправит данную ситуацию. Окраска тоже имеется.

3 Не равномерность АЧХ в низко частотном диапазоне исправима за счет более точного настройки фазоинвертора и переделки канала, связывающий два корпуса.

4 Объёмность звучания в не конкуренции, локальность образа в стерео панораме сильно зависит от расположения акустических систем относительно стен. Чем дальше тем лучше.

5 Звуковое давление сильно падает с ростом расстояния от колонок до слушателя, колонки ближнего поля. Зона комфортного прослушивания начинается прямо от колонок и далее.

6 Объективные замеры показали спад на высоких частотах, но субъективно спада не ощущается. Видимо наши уши воспринимают окружающее звучание в том числе от стен, а микрофон фиксирует направленное излучение. Из за не эффективного отражения на прямой оси происходит спад на вч. На ощущения ни как не влияет. Во общем можно сказать так, если бы не окраска звука в районе 600 и 2500 герц звучание можно назвать большим и детальным. Но звук от таких систем сильно зависит от помещения. Объёмность и натуральность звука гарантирована в любом случае, расстояние от стен влияет только на локализацию образов в пространстве.

Итог: Потенциал системы весьма высокий, но доработок тоже много. Но это будет реализовано уже в других проектах. Забегая в перёд скажу, что широкополосный динамик я уже переделал, результат обнадёживает, хоть и всех недостатков убрать не удалось. Но об этом в следующий раз.