Заметки о видах акустического оформления АС. Акустический подвес
Жил да был славный американский парень Эдгар Вилчур. Отслужил во 2 мировую радиоинженером на далеком острове, дембельнулся, женился, пошел преподавать. Открыл магазин на Гринвич Виллидж в Нью-йорке, продавал и ремонтировал там тогдашний хайфай . читал курс «Домашнее звуковоспроизведение» в университете, а в свободное время сидел в библиотеке, штудируя математику и инженерное дело.
Надо сказать, что в начале 50-х хай фай был уделом избранных и по цене и размерам громкоговорителей, занимавших в оформлении открытый ящик или рупор всю комнату.
Открытый ящик как известно приводит к эффекту акустического КЗ и резкому падению звукового давления на низких частотах. Делались попытки сделать у щита боковые панели, но измерения показали, что они могут иметь лишь определенную оптимальную глубину, за которой начинаются неприятные горбы на АЧХ вызываемые тоннельным эффектом. Принято считать, что Вилчур придумал первым закупорить ящик сзади. Это конечно не так. Если вы откроете каталоги Altec, JBL или WE, середины-конца 50-х годов, вы обнаружите полные каталоги всевозможных тумбочек и шкафов (со створками и без) куда были встроены динамики - часто широкополосные и/или аксиальные, они являли собой шедевр инженерной мысли. Некоторые из них, например JBL Paragon многие не стесняются выставлять в своих коттеджных гостиных и сейчас. Но здоровый динамик в маленьком замкнутом объеме неизбежно приводил к резкому росту упругого сопротивления воздуха динамику, поднимая резонансную частоту и действуя на НЧ подобно фильтру первого порядка. Таким образом ящики неизбежно были большими или очень большими.
Примерно в начале 50-х Вилчуру приходит в голову революционная мысль, которая и ляжет в основу его изобретения.
Чтобы понять, в чем же состоит основная проблема реализации любого НЧ оформления мы должны копнуть несколько вглубь.
В чем состоит состоит задача разработчика АС? Создать АС, воспроизводящую звуковой сигнал с минимальными искажениями. То есть, максимально линейно. Для этого динамик в этой АС должен максимально линейно реагировать на подведенный электрический сигнал. Для этого этот динамик должен испытывать максимально линейную реакцию на силу ампера, перемещающую в нем диффузор.
Из чего складывается эта реакция? Очевидно, что из конструктива динамика - жесткости и упругости подвеса и центрирующей шайбы. Именно поэтому в 30-40-е годы динамики, предназначавшиеся для работы с открытым оформлением получали жесткие шайбы (и лучшие считались с пауками из металла) и жесткий подвес, что вкупе давало системе высокую добротность и необходимую по третьему закону Ньютона реакцию на подведенный сигнал.
Математически эта реакция выглядит так:
md2x/dt2+ymdx/dt+kx=F
Первое слагаемое здесь - инерционная составляющая из второго закона Ньютона. Это масса диффузора и всей подвижной системы. Второе слагаемое - сила, зависящая от скорости - это необратимые потери на трение. Третье - пружинистость системы, сила тем больше, чем больше координата - сдвиг динамика от центра.
Основной проблемой, стоявшей перед разработчиками динамиков для открытых оформлений было подобрать необходимый баланс между жесткостью (kx) громкоговорителя и его массой, которыми и приходилось организовывать реакцию. Когда эти же - жесткие, высокодобротные динамики стали ставить в закрытый ящик, то к жесткости и высокой добротности самого громкоговорителя прибавилась пружинистость воздуха в ящике - реакция выросла, причем реакция нелинейная, зависящая от сдвига диффузора, подводимой частоты и к тому же склонная к образованию колебательного контура с его массой и массой воздуха.
Собственно, все автолюбители знакомы с этим явлением, когда непременно высокодобротные мидбасы (ну какие же еще делать?) ставятся в 15 литров двери и поют там вместе с воздухом на резонансных частотах за милую душу долгим гудением.
Именно эта разновидность закрытого ящика - бесконечный экран, благополучно дожила до наших дней, что лишний раз не делает чести разработчикам.
Итак, что придумал Вилчур? Раз динамик жесткий, надо максимально снизить коэфф Гука в kx, максимально снизить резонанс и максимально повысить трение в ящике. Тогда масса подвижной системы (а куда от нее деться при низких частотах? Уже не говоря про то, что последовательная катушка индуктивности у НЧ динамика также дает математический аналог прироста массы) не будет играть никакой отрицательной роли и образовывать высокодобротных колебательных контуров. Согласно апокрифу, Вилчур попросил его жену, которая в войну шила парашюты, сделать выкройку из обычного матраца для подвеса динамика Вестерн Электрик 12 дюймов, подрезал у него в нескольких местах центрирующую шайбу, и получившийся низкодобротный (0,26 ЕМНИП) и низкорезонансный динамик (25гц) вставил в ящик, который организовал, прибив две панели ДСП под лестницей и набив все это дело минватой до упора. Воодушевленный удачными измерениями, он патентует результат.
Давайте ненадолго предоставим слово самому Вилчуру. ВОт выдержка из его беседы с корреспондентом журнала "Стереофайл" Дэвидом Лэндером, состоявшейся в феврале 2005-го (перевод мой).
"Лэндер: Вы сказали, что обратили свое внимание на АС в начале 50-х, т.к. они были слабым звеном в цепочке хай-фай компонентов в начале 50-х.
Вилчур: в те дни вы могли купить домашний усилитель с искажениями 0,5% или менее даже на краях частотного диапазона при полной отдаваемой мощности. Громкоговорители показывали уровень искажений в20-100 раз больший. Эта проблема механического подвеса, который возвращает диафрагму на место. Когда диафрагма сдвигается на большую дистанцию, подвес натягивается. Это не позволяет диффузоруходить на полную амплитуду в низкочастотной форме волны. Я думаю, то, что нам нужно это линейная возвращающая сила, которая не будет связвать диффузор, позволяя ему смещаться на длинную дистанцию и возвращая его назад эластично. Это было озарение. Линейная связь всегда была рядом. Воздушная подушка ящика это в точности та реакция, что я хотел..."
Конец цитаты. Это достаточно известное интервью. Если вы почитаете его дальше, вы узнаете, как Вестерн Электрик украла и обманом выиграла суд за это изобретение - Вилчур смирился, но с тех пор его альтруизм закончился. Суть своего изобретения в данном интервью изобретатель попросту недоговаривает, и теперь любой, засунувший динамик в закрытый ящик, полагает, что он имеет акустический подвес. Это не так. Давайте еще раз уясним суть изобретения.
по третьему закону Ньютона действие равно противодействию
F=R
вычитая, видим знакомое всем по сопромату правило - приложенная внешняя сила уравнивается реакцией, а точнее суммой реакций.
F-R=0,
где реакция состоит из инерционной составляющей из второго закона Ньютона F=ma=md2x/dt2, силы трения, зависящей от скорости и гуковской пружинной составляющей kx.
R=md2x/dt2+ymdx/dt+kx=F (1)
Это архиважная формула, которая позволяет понять и моделировать поведение динамика.
О чем говорит Вилчур сначала? Что механический подвес нелинеен на больших амплитудах. Именно поэтому динамики для открытых систем делались большими и высокодобротными - смещение копеечное, давление уже достаточное, линейность сохраняется, но возникает вагон других проблем. Высокодобротный динамик создает реакцию на подведенную силу Ампера своим конструктивом - жесткой центрирующей шайбой и подвесом. Чем больше смещение тем больше проявляется нелинейность - kx, где x - смещение. Таким образом третье слагаемое диффура (1) для домашних малогабаритных систем - паразитное. Что это значит? В первую очередь то, что динамик для малогабаритной системы (что в нашем свами автовоспроизведении кругом и везде) должен быть априори низкодобротным и реакцию следует обеспечивать оформлением. Понимают ли это в массе своей производители и установщики? Не всегда. Понимал ли это Вилчур и все производители в 60-х? Да.
Поехали теперь о том, о чем он не сказал.
Реакция, обеспечиваемая оформлением также не должна иметь пружинную составляющую kx. Т.е. воздух в ящике должен быть задемпфирован и превращен в вязкую среду. Реакция, таким образом, достигается силой трения ymdx/dt и одинакова в любой точке смещения диффузора и зависит целиком от скорости смещения. Это обеспечивает исключительно линейный отклик и субъективно достоверный бас.
Два слова о первом члене md2x/dt2. Как видим, чем больше масса тем больше нужна сила для смещения, т.е. по сути - подведенная мощность. Но есть еще интересный нюанс. Эта реакция тем выше, чем больше ускорение диффузора. На что это похоже?
U=LdL/dt=Ld2q/dt2
где U - подведенное напряжение, а L - индуктивность. Т.е. чем выше масса диффузора, тем более низко настроенный ФНЧ механической природы мы получаем. Стремиться к легкому подвесу на низких частотах таким образом совсем необязательно. Все равно его придется "утяжелять" катушкой индуктивности. Но при этом нельзя забывать про низкую добротность. Вилчуровские динамики имели добротность 0,26 и ниже, резонансную частоту 25 герц и ниже, что фактически снимает проблему борьбы с резонансной нелинейностью, уводя ее на край и за край слышимого диапазона.
Таким образом: акустический подвес это низкодобротный, низкорезонансный НЧ динамик, помещенный в закрытый ящик, до отказа заполненный звукопоглощающим материалом, в оригинале - жесткой высокоплотной минваты. Линейная реакция на подведенный сигнал обеспечивается вязкой средой воздуха в ящике, трущегося и гасящего энергию волны в вибрирующих и рассеивающих ее волокнах. Оригинальные AR-1 легко и ненавязчиво давали 25 гц по -3дб при объеме ящика порядка 60 литров. Пользуйтесь граждане, это легко реализуемое и чрезвычайно привлекательное субъективно и объективно решение, к тому же незаслуженно забытое.
Надо сказать, что в начале 50-х хай фай был уделом избранных и по цене и размерам громкоговорителей, занимавших в оформлении открытый ящик или рупор всю комнату.
Открытый ящик как известно приводит к эффекту акустического КЗ и резкому падению звукового давления на низких частотах. Делались попытки сделать у щита боковые панели, но измерения показали, что они могут иметь лишь определенную оптимальную глубину, за которой начинаются неприятные горбы на АЧХ вызываемые тоннельным эффектом. Принято считать, что Вилчур придумал первым закупорить ящик сзади. Это конечно не так. Если вы откроете каталоги Altec, JBL или WE, середины-конца 50-х годов, вы обнаружите полные каталоги всевозможных тумбочек и шкафов (со створками и без) куда были встроены динамики - часто широкополосные и/или аксиальные, они являли собой шедевр инженерной мысли. Некоторые из них, например JBL Paragon многие не стесняются выставлять в своих коттеджных гостиных и сейчас. Но здоровый динамик в маленьком замкнутом объеме неизбежно приводил к резкому росту упругого сопротивления воздуха динамику, поднимая резонансную частоту и действуя на НЧ подобно фильтру первого порядка. Таким образом ящики неизбежно были большими или очень большими.
Примерно в начале 50-х Вилчуру приходит в голову революционная мысль, которая и ляжет в основу его изобретения.
Чтобы понять, в чем же состоит основная проблема реализации любого НЧ оформления мы должны копнуть несколько вглубь.
В чем состоит состоит задача разработчика АС? Создать АС, воспроизводящую звуковой сигнал с минимальными искажениями. То есть, максимально линейно. Для этого динамик в этой АС должен максимально линейно реагировать на подведенный электрический сигнал. Для этого этот динамик должен испытывать максимально линейную реакцию на силу ампера, перемещающую в нем диффузор.
Из чего складывается эта реакция? Очевидно, что из конструктива динамика - жесткости и упругости подвеса и центрирующей шайбы. Именно поэтому в 30-40-е годы динамики, предназначавшиеся для работы с открытым оформлением получали жесткие шайбы (и лучшие считались с пауками из металла) и жесткий подвес, что вкупе давало системе высокую добротность и необходимую по третьему закону Ньютона реакцию на подведенный сигнал.
Математически эта реакция выглядит так:
md2x/dt2+ymdx/dt+kx=F
Первое слагаемое здесь - инерционная составляющая из второго закона Ньютона. Это масса диффузора и всей подвижной системы. Второе слагаемое - сила, зависящая от скорости - это необратимые потери на трение. Третье - пружинистость системы, сила тем больше, чем больше координата - сдвиг динамика от центра.
Основной проблемой, стоявшей перед разработчиками динамиков для открытых оформлений было подобрать необходимый баланс между жесткостью (kx) громкоговорителя и его массой, которыми и приходилось организовывать реакцию. Когда эти же - жесткие, высокодобротные динамики стали ставить в закрытый ящик, то к жесткости и высокой добротности самого громкоговорителя прибавилась пружинистость воздуха в ящике - реакция выросла, причем реакция нелинейная, зависящая от сдвига диффузора, подводимой частоты и к тому же склонная к образованию колебательного контура с его массой и массой воздуха.
Собственно, все автолюбители знакомы с этим явлением, когда непременно высокодобротные мидбасы (ну какие же еще делать?) ставятся в 15 литров двери и поют там вместе с воздухом на резонансных частотах за милую душу долгим гудением.
Именно эта разновидность закрытого ящика - бесконечный экран, благополучно дожила до наших дней, что лишний раз не делает чести разработчикам.
Итак, что придумал Вилчур? Раз динамик жесткий, надо максимально снизить коэфф Гука в kx, максимально снизить резонанс и максимально повысить трение в ящике. Тогда масса подвижной системы (а куда от нее деться при низких частотах? Уже не говоря про то, что последовательная катушка индуктивности у НЧ динамика также дает математический аналог прироста массы) не будет играть никакой отрицательной роли и образовывать высокодобротных колебательных контуров. Согласно апокрифу, Вилчур попросил его жену, которая в войну шила парашюты, сделать выкройку из обычного матраца для подвеса динамика Вестерн Электрик 12 дюймов, подрезал у него в нескольких местах центрирующую шайбу, и получившийся низкодобротный (0,26 ЕМНИП) и низкорезонансный динамик (25гц) вставил в ящик, который организовал, прибив две панели ДСП под лестницей и набив все это дело минватой до упора. Воодушевленный удачными измерениями, он патентует результат.
Давайте ненадолго предоставим слово самому Вилчуру. ВОт выдержка из его беседы с корреспондентом журнала "Стереофайл" Дэвидом Лэндером, состоявшейся в феврале 2005-го (перевод мой).
"Лэндер: Вы сказали, что обратили свое внимание на АС в начале 50-х, т.к. они были слабым звеном в цепочке хай-фай компонентов в начале 50-х.
Вилчур: в те дни вы могли купить домашний усилитель с искажениями 0,5% или менее даже на краях частотного диапазона при полной отдаваемой мощности. Громкоговорители показывали уровень искажений в20-100 раз больший. Эта проблема механического подвеса, который возвращает диафрагму на место. Когда диафрагма сдвигается на большую дистанцию, подвес натягивается. Это не позволяет диффузоруходить на полную амплитуду в низкочастотной форме волны. Я думаю, то, что нам нужно это линейная возвращающая сила, которая не будет связвать диффузор, позволяя ему смещаться на длинную дистанцию и возвращая его назад эластично. Это было озарение. Линейная связь всегда была рядом. Воздушная подушка ящика это в точности та реакция, что я хотел..."
Конец цитаты. Это достаточно известное интервью. Если вы почитаете его дальше, вы узнаете, как Вестерн Электрик украла и обманом выиграла суд за это изобретение - Вилчур смирился, но с тех пор его альтруизм закончился. Суть своего изобретения в данном интервью изобретатель попросту недоговаривает, и теперь любой, засунувший динамик в закрытый ящик, полагает, что он имеет акустический подвес. Это не так. Давайте еще раз уясним суть изобретения.
по третьему закону Ньютона действие равно противодействию
F=R
вычитая, видим знакомое всем по сопромату правило - приложенная внешняя сила уравнивается реакцией, а точнее суммой реакций.
F-R=0,
где реакция состоит из инерционной составляющей из второго закона Ньютона F=ma=md2x/dt2, силы трения, зависящей от скорости и гуковской пружинной составляющей kx.
R=md2x/dt2+ymdx/dt+kx=F (1)
Это архиважная формула, которая позволяет понять и моделировать поведение динамика.
О чем говорит Вилчур сначала? Что механический подвес нелинеен на больших амплитудах. Именно поэтому динамики для открытых систем делались большими и высокодобротными - смещение копеечное, давление уже достаточное, линейность сохраняется, но возникает вагон других проблем. Высокодобротный динамик создает реакцию на подведенную силу Ампера своим конструктивом - жесткой центрирующей шайбой и подвесом. Чем больше смещение тем больше проявляется нелинейность - kx, где x - смещение. Таким образом третье слагаемое диффура (1) для домашних малогабаритных систем - паразитное. Что это значит? В первую очередь то, что динамик для малогабаритной системы (что в нашем свами автовоспроизведении кругом и везде) должен быть априори низкодобротным и реакцию следует обеспечивать оформлением. Понимают ли это в массе своей производители и установщики? Не всегда. Понимал ли это Вилчур и все производители в 60-х? Да.
Поехали теперь о том, о чем он не сказал.
Реакция, обеспечиваемая оформлением также не должна иметь пружинную составляющую kx. Т.е. воздух в ящике должен быть задемпфирован и превращен в вязкую среду. Реакция, таким образом, достигается силой трения ymdx/dt и одинакова в любой точке смещения диффузора и зависит целиком от скорости смещения. Это обеспечивает исключительно линейный отклик и субъективно достоверный бас.
Два слова о первом члене md2x/dt2. Как видим, чем больше масса тем больше нужна сила для смещения, т.е. по сути - подведенная мощность. Но есть еще интересный нюанс. Эта реакция тем выше, чем больше ускорение диффузора. На что это похоже?
U=LdL/dt=Ld2q/dt2
где U - подведенное напряжение, а L - индуктивность. Т.е. чем выше масса диффузора, тем более низко настроенный ФНЧ механической природы мы получаем. Стремиться к легкому подвесу на низких частотах таким образом совсем необязательно. Все равно его придется "утяжелять" катушкой индуктивности. Но при этом нельзя забывать про низкую добротность. Вилчуровские динамики имели добротность 0,26 и ниже, резонансную частоту 25 герц и ниже, что фактически снимает проблему борьбы с резонансной нелинейностью, уводя ее на край и за край слышимого диапазона.
Таким образом: акустический подвес это низкодобротный, низкорезонансный НЧ динамик, помещенный в закрытый ящик, до отказа заполненный звукопоглощающим материалом, в оригинале - жесткой высокоплотной минваты. Линейная реакция на подведенный сигнал обеспечивается вязкой средой воздуха в ящике, трущегося и гасящего энергию волны в вибрирующих и рассеивающих ее волокнах. Оригинальные AR-1 легко и ненавязчиво давали 25 гц по -3дб при объеме ящика порядка 60 литров. Пользуйтесь граждане, это легко реализуемое и чрезвычайно привлекательное субъективно и объективно решение, к тому же незаслуженно забытое.