6.4.Акустические системы
Акустическая система является последним звеном в цепи передачи звука. Если в качестве излучателя применяются головные телефоны, то они практически являются окончанием звуковоспроизводящей цепочки. Если излучателем служит громкоговоритель, встроенный в корпус, то цепь передачи звука дополняется еще одним звеном — акустикой помещения, где происходит прослушивание. В действительности мы всегда слышим звуки не только из громкоговорителя, но и звуки, которые получаются в результате взаимодействия излучателя и помещения.
Часто упоминаемый стандарт DIN45500 предписывает для качественного стереофонического воспроизводящего оборудования наличие усилителя с выходной мощностью не менее 2x6 Вт. Но в последнее время на несколько децибел возрос не только динамический диапазон на пластинках, но и шум в помещении прослушивания. Таким образом, предполагая КПД громкоговорителя неизменным, законно возникает требование увеличения мощности. Но какой она должна быть?
Как правило, считается, что мощность устройства, выраженная в ваттах, должна в 2 раза превышать площадь помещения в квадратных метрах. Согласно этому правилу для комнаты площадью 4x5 м требуется усилитель с мощностью 2x20 Вт. При этом два громкоговорителя с КПД, равным 1%, разовьют акустическую мощность Ра= 2х0,2 Вт. Если объем помещения V=60 м3 и время реверберации 1 с, то получаемая интенсивность звука:
По отношению к уровню 10-12 Вт/м2, принимаемого за ноль, это значение означает интенсивность звука 106 дБ. При этом громкоговорители должны обеспечивать длительное время мощность 20 Вт и не повреждаться при перегрузках. Соединительные провода громкоговорителя должны иметь сечение не менее 2х0,75 мм2, в противном случае малое внутреннее сопротивление усилителя не будет достаточно демпфировать колебания диффузора громкоговорителя.
Место для акустических систем должно выбираться так же тщательно, как и для проигрывателя. Для стереофонического звуковоспроизведения две акустические системы, по возможности, устанавливают на расстоянии 3—4 м одна от другой (рис. 1). Стереофонический эффект лучше всего воспринимается на расстоянии 3—4 м от акустических систем. Необходимо также иметь в виду, что при расположении акустических систем у стены излучение на низких частотах увеличится на 6 дБ, а вблизи угла — на 9 дБ по сравнению с акустическими системами, расположенными вдали от стен. Второе правило — не располагать акустические системы высоко, так как из-за отражения звука от пола может возникнуть неприятное ослабление отдельных низких тонов при взаимодействии прямых и отраженных звуковых волн. Например, при расположении акустической системы на высоте 1,5 м и прослушивании с расстояния в 4 м отраженная от пола звуковая волна проходит путь в 5 м. Из-за разницы в 1 м звуковые волны частотой 170 Гц взаимно компенсируют одна другую.
Рис. 1. Целесообразное размещение акустических систем в помещении:
Следует сказать и о трудности получения равномерного звукового поля на высоких частотах. Эта проблема может быть решена применением нескольких головок громкоговорителей или одной головки с выпуклой мембраной специальной формы. Излучение высокочастотных звуков в сторону стены может быть рекомендовано в меньшей степени из-за частотозависимого коэффициента поглощения стен и ухудшающих амплитудно-частотную характеристику отражений. Выгодно, если средне- и высокочастотные головки громкоговорителей находятся на высоте головы слушателя.
Конструкции головок громкоговорителей могут быть различными. Полную полосу звуковых частот может излучать одна широкополосная головка высокого качества. Чаще полосу звуковых частот разделяют электрическими фильтрами на две-три (иногда и больше) полосы, и сигналы каждой полосы излучаются отдельными головками громкоговорителей (или их группами). В последнем случае будет меньше модуляционных искажений, обусловленных движением диффузора, но трудно обеспечить равномерную амплитудно-частотную характеристику. Трудность состоит в том, что различные низкочастотные и высокочастотные головки обладают различными КПД. Если принимать во внимание еще и акустику комнаты, то в много-полосных акустических системах необходимо, чтобы уровень громкости в каждой полосе регулировался отдельно. Существуют предварительные усилители, разбивающие диапазон звуковых частот на 16—24 полосы (например, «Саунд-Крафтсмэн»). С такими устройствами, без сомнения, можно осуществить воспроизведение звука с оптимальной амплитудно-частотной характеристикой.
Однако амплитудно-частотная характеристика не является единственным параметром, который следует учитывать для получения высококачественного воспроизведения звука. Разделение звукового сигнала на несколько полос связано с определенными трудностями. Главная из них — наличие индуктивных и емкостных элементов в делителях частоты, обладающих большой селективностью (12 дБ/октава). Эти элементы ухудшают фазовую и переходную характеристики акустической системы. Идеальным решением представляется делитель с крутизной 6 дБ/октава (рис. 2). Для сохранения равномерной фазовой характеристики необходимо, чтобы диффузоры головок громкоговорителей, относящихся к различным полосам, находились в одной плоскости (рис. 3).
Рис. 2. Принципиальные схемы, частотные характеристики и форма импульсных сигналов разделительных фильтров с крутизной 6 дБ/октава (а) и 12 дБ/октава (б). Фазовая характеристика фильтра с крутизной 6 дБ/октава горизонтальная
Рис. 3. Равномерность акустической фазовой характеристики в зависимости от расположения головок громкоговорителей
Вернемся к амплитудно-частотной характеристике акустической системы. Ее можно проконтролировать с помощью измерительного микрофона, но на громкоговорители нельзя подавать синусоидальные сигналы, потому что сформировавшиеся в помещении стоячие волны исказят результаты измерения. Очень просто можно провести объективное измерение полного электроакустического комплекса с помощью измерительной пластинки «Брюэль и Къер QR2011». На этой пластинке в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц записан розовый шум шириной в одну треть октавы. Амплитуда его равномерно снижается с повышением частоты, поэтому содержание энергии на полосе треть октавы одинаково. Экспериментально подтверждено, что при наиболее благоприятном распределении звуковой энергии уровень розового шума постепенно спадает к высоким частотам. Падение начинается примерно от частоты 200 Гц и равно около 3 дБ на декаду, т. е. на частоте 2 кГц оно составляет 3 дБ, на частоте 20 кГц — 6 дБ.
Помимо рассмотренных до сих пор требований акустическим системам присущи также свойства, определяющие качество звучания, но их нельзя оценить путем инструментальных измерений. К ним относятся полнота звучания, четкость звука, ощущение присутствия и, может быть, самое важное свойство — окраска звука. Несомненно, лучшими акустическими системами являются те, которые не окрашивают звук, поэтому их звучание трудно отличить от звучания естественной музыки.
Акустическим системам посвящено уже очень много специальных исследований, но еще пока не найдена система, совершенная со всех точек зрения, простая и дешевая в производстве, надежная и обладающая большим сроком службы.
Наибольшее распространение получили закрытые акустические корпусы, основным достоинством которых являются малые размеры и отсутствие необходимости подстройки при изготовлении, но их КПД очень мал, всего 1%. Правда, преувеличением было бы ожидать от этого угловатого корпуса с объемом в несколько кубических дециметров одинаково красивого воспроизведения звучания органа, рояля, скрипки или трубы, так как у этих инструментов в процессе их совершенствования сформировалось единство материала и формы и выработался характерный тембр.
В области закрытых акустических систем каждый год появляются новинки, как, например, система с симметричным приводом («Скандина»), в которой не образуются четные гармоники, или акустические системы с подвижной обратной связью («Филипс МЕВ»), которая корректирует движение диффузора на низких частотах. При помощи специальных делителей можно получить акустические системы с линейной фазовой характеристикой («Банг энд Олуфсен»).
И в будущем останутся сторонники компрессированных акустических систем с хорошим КПД, размеры которых при незначительных изменениях в электронной части могут быть значительно снижены (фильтры Баттерфорта шестой степени). Хороших результатов можно ожидать и от систем, демпфированных акустической трубой, создающей на обратной стороне излучающей головки чисто омическое сопротивление.
Основная трудность электроакустического излучения звука состоит в изготовлении излучателя на большое акустическое сопротивление, т. е. малый сдвиг большой поверхности лучше сочетается со свойствами воздуха, чем движение маленькой мембраны с большим ходом. Эта трудность в настоящее время лучше всего решена в двухтактных конденсаторных громкоговорителях. Однако для большой площади это обходится очень дорого.
Эта трудность может быть решена и при помощи акустического трансформатора. В этом случае перед обычной головкой, закрытой с обратной стороны, помещается рупор, расширяющийся по экспоненциальному закону. Коэффициент полезного действия преобразования получается достаточно высоким и достигает 30%. Это означает, что при электрической мощности в 1—2 Вт можно получить силу звука, приближающуюся к порогу болевого ощущения слуха. Из этого следует, что средней громкости соответствуют очень малое значение усиления мощности и малые смещения мембраны. По этой причине малы и искажения. Единственный недостаток состоит в том, что для излучения звуков частотой 30 Гц необходим рупор длиной около 5 м, а его большой диаметр превышает 3,5 м.
Но существует и другая возможность для получения хорошего качества звучания. Используя современные головные телефоны, можно получить во многих отношениях лучшее воспроизведение звука, чем через громкоговорители, имеющие ту же цену. В настоящее время головные телефоны еще привязывают слушателя к одному месту, но уже недалеко время, когда работающие на инфразвуке или инфракрасном излучении приборы смогут с отличным качеством и без проводов осуществлять стереопередачу между усилителями и головными телефонами.
После многочасового использования легких современных открытых до половины головных телефонов (например, «Сеихейзер 414» или «Сенхейзер 424») илн открытых полностью (например, «Жеклии-Флоат») усталость не ощущается. Известен дефект, возникающий при использовании головных телефонов, когда расположенный посередине источник звука ощущается как бы внутри головы. При помощи современных электронных устройств («Ревокс А720») этот недостаток может быть устранен и источник звука, как и при прослушивании с громкоговорителями, кажется расположенным перед слушателем.