Новости 

 Акустика 

 Электроника 

 Справочники 

 Программы 

 Ссылки 

 О себе 

Что нужно для того, чтобы сконструировать трехполосную акустическую систему?

Первое - желание услышать полноценные низкие частоты. Неплохие динамики стояли без дела в уже готовых корпусах сабвуферов, к которым я так и не собрал усилители и активный кроссовер.
Второе - каким-то образом решить проблему средних частот. Блуждая в очередной раз по радиорынку, я не смог пройти мимо купольных среднечастотников, которые когда-то ставили в 35АС-021, "Эстонию".
Третье - лежащие "про запас" высокочастотники. Использованные в предыдущей конструкции пищалки новосибирской фирмы "Ноэма" меня порадовали хорошим звучанием :-).

Итак, есть неплохой комплект динамиков:   Динамики [37kB].   Динамики [27kB].
75ГДН-3-4 10-ти дюймовые бумажные динамики с новеньким пенополиуретановым подвесом.
20ГД-1 купольные среднечастотники, текстильный купол с пропиткой.(см.Эстония -> Audes)
10ГДВ92 высокочастотники, производства "Ноэма", шелковый купол.

Приступаем к работе.

НЧ динамики необходимо поместить в акустическое оформление, наиболее полно раскроющее их возможности. Для расчета акустического оформления по классической методике были измерены параметры Тиля-Смолла:

Параметр	1-й динамик	2-й динамик
Fs, Гц	24,3	26,0
Qts	0,32	0,3
Qes	0,35	0,32
Qms	4,12	3,9
Vas, л	118	115

В наличии были 40 литровые корпуса (Закрытый ящик), в которых проводились измерения. Добротность динамиков в таком оформлении получилась 0,67. Достаточно близко к оптимальному значению, к 0,7. Для моих динамиков опытные конструкторы посоветовали мне выбрать объем ЗЯ побольше. Позднее я убедился в справедливости советов.
Итак, был выбран объем 65 литров, конструкция - закрытый ящик. Добротность в оформлении около 0,57 (аппроксимация по Бесселю).
Почему я остановился на закрытом ящике? Все решило сравнительное прослушивание трех конструкций: оптимальный (Qtc = 0.7) ЗЯ, оптимальный ФИ, ЗЯ с низкой добротностью (Qtc < 0.7). Последний вариант отличался легкостью и чистотой баса. Фазоинверторный вариант "колбасил" и имел неестественный (единственный верный, несмотря на обилие рвущихся наружу эпитетов) звук. Со мной могут поспорить и, возможно, в чем то будут правы приверженцы ФИ конструкций, но решение принимается в каждом конкретном случае свое. На мой взгляд, ФИ является оптимальным вариантом для мидбасовых головок.
Если отбросить лирику, то ключевыми словами будут следующие: отличная фазовая характеристика и, как следствие, малое ГВЗ, быстрый отклик, отличная переходная характеристика, отсутствие послезвучий, сравнительно меньшие искажения из-за компрессии внутри ЗЯ (Под низкодобротным ЗЯ я понимаю ящик, объем которого больше, нежели оптимальный, соответствующий аппроксимации Баттерворта).

Изготовление корпусов АС дело небыстрое. Пока достанешь материалы, пока разметишь и распилишь, время идет и что-то сделать хочется. Поэтому была предпринята попытка оценить амплитудно-частотные и импеданс-частотные характеристики СЧ и ВЧ динамиков. Чтобы измерить их АЧХ я сделал "экран" размером 100х60см, проделал для них на высоте 75см установочные отверстия, расположил их на оси симметрии экрана. Экран мне понадобился, чтобы минимизировать влияние интерференции от переднего фланца динамика на вид АЧХ. К сожалению, сам передний фланец динамиков я не утопил, поэтому "экран" был близок к бесполезному... Расположив измерительный микрофон WM-61A (Panasonic) на расстоянии в 60см от центра динамиков, я провел ряд замеров АЧХ под углами 0, 15 и 30 градусов в горизонтальной плоскости. Измерения проводились псевдошумовым (MLS) сигналом с помощью программы justMLS, результаты усреднялись по 1/3 октавным полосам.  Получилось следующее.

Эти, пусть неудачные, эксперименты позволили мне сделать вывод: если при измерении наблюдается существенная разница между осевой АЧХ и измеренной под некоторым углом (к примеру, 30 градусов), кроме закономерной, связанной с сужением диаграммы направленности (плавное уменьшения уровня с ростом угла и частоты), значит, это вклад интерференции прямого сигнала и сигнала от вторичного источника - любой острой грани, порождающей дифракцию.
Если подумать, можно скомпенсировать дифракцию, расположив излучающую поверхность динамика на некотором неравном удалении от острых граней. В разделе Программы давно лежит архив с программой Edge [320kB]., которая моделирует расположение динамиков на передней панели АС (нужно ее изучить и поиграться с настройками, тогда она строит очень даже реальные модели). Более простой метод поиска оптимального расположение основан на использовании ряда Фибоначчи. Вот элементарные соотношения: 0,618 : 1 : 1,618.
Кроме всего прочего, эти соотношения оптимальны для геометрии корпуса АС из соображения борьбы с внутренними резонансами и подавления отражений звуковых колебаний. Поэтому хорошая, с точки зрения акустики, комната имеет соотношения размеров ~3:5, а квадратная вызывает зубовный скрежет аудиофила.

Теперь немного о методике настройки будущего кроссовера. Об этом тоже полезно подумать, пока корпус не готов и, тем более, если готов. До сих пор я настраивал свою акустику по осевой АЧХ "в линию". Теперь предпринята попытка найти другие подходы. Например,  [методика создания АС А.Клячина], заставила меня над ней поразмышлять. Ход статистически правильной АЧХ навел меня на некоторые мысли:

1. Неравномерность в области НЧ объясняется влиянием комнаты. Если в вашей комнате укладывается половина длины волны некоторого колебания, то на этой частоте будет подъем. Все, что ниже по частоте, звучать, как правило*, практически не будет.
Если в комнате уложилось полторы длины волны туда-обратно, значит - провал. И т.д. и т.п. все кратные частоты. Чуть отошли от области самых низов, заработали не только аксиальные моды, но и диагональные. Началась каша, которую можно измерить, нужно учесть, но сложно скорректировать.

2. Необходимый подъем в области 300 - 3000Гц на 2..3дБ, чтобы получить ровную АЧХ пары АС я пока оставил под сомнением. Слишком однозначное решение и, очевидно, связано с некоторым классическим расположением колонок, слушателя и полосностью системы. Еще, в связи с сужением диаграммы направленности, надо бы приподнять верхнюю середину.

Забегая вперед, скажу, что убедился с том, что суммарная АЧХ (измеренная с расстояния более 1м) двух АС будет ровной при наличии этого наклона. Чтобы убедиться, нужно все измерить и изучить самому! И через руки вернее доходит, нежели через голову :-)

3. Необходимый провал АЧХ в области 5..6кГц, связан с особенностями слухового восприятия. Возможно, некоторых раздражают акцентированные шипящие.

и т.д.

Мои критерии при проектировании первоначального кроссовера были следующие: достаточно ровная АЧХ (и осевая и под углами до 30 градусов), плавно сшитая ФЧХ без сильных изломов, ровный импеданс при небольшой фазе импеданса, небольшая групповая задержка в басовом звене (не более 8мс на нижней частоте ~30...40Гц), минимально возможный порядок фильтров.

По предыдущим измерениям был прикинут кроссовер. Сейчас он переработан.

Кроссовер.

Вернемся к нашим баранам, дабы тяготами земными опустить себя с небес на землю.
Итак, измерены габариты динамиков и спроектирован корпус:   Вот такой [55kB].
Материалом корпуса была выбрана фанера толщиной 20мм. При запланированных объемах, потребовалась не одна, как на чертеже, а несколько распорок внутри корпуса, чтобы обеспечить необходимую жесткость стенок и убрать призвуки. Отмечу, что ДСП и МДФ немного лучше в этом отношении, не зря из нее гитар не делают :-).

Свежие фотографии с поля боя. Еще не все сделано и, даже, не приклеено. Будут еще рейки и распорки. Центральную даже придется поменять, т.к. слишком сечение корпуса перекрывает.
  Корпус [40kB].
  Внутренний мир [38kB].

Пришло время, выкладывать очередные результаты.
Корпусы готовы в том виде, в котором можно измерять АЧХ и ИЧХ. Т.е. измерять реальные параметры, а не "экранные". Басовик звучит приятно, но войлока и синтепона в корпусе еще нет. Мера приятности обнадеживает. Резонансные частоты в оформлении получились 47 и 48Гц, при добротностях, соответственно, 0,57 и 0,6. Все измерено "коробочкой"!, а не посчитано теоретически. Небольшое различие несущественно.
Теперь подробности в картинках:
  Измерительный микрофон [48kB].

АЧХ и ИЧХ пары 10ГДВ92.

АЧХ и ИЧХ пары 20ГД-1.

В измерениях среднечастотника можно заметить влияние отражения от пола. При некоторой разности хода прямого луча и отраженного от пола (к примеру, как от ближайшей поверхности) можно наблюдать, как сигналы будут складываться в фазе, в противофазе и с промежуточными значениями. Наиболее заметно влияние интерференции в нижней области рабочего диапазона, т.к. выше по частоте значения усредняются согласно методике измерений, отраженное колебание сильнее поглощается различными покрытиями, да и скользящее окно быстрого преобразования Фурье убегает вверх по частоте и не захватывает отраженный сигнал (для СЧ я ставил длительности импульсных последовательностей не более 20мс)
Чтобы не быть голословным вот измерения одного и того же динамика в разных условиях:

АЧХ 20ГД-1-1.

Почему я сделал вывод, что это отражение от пола? Как отмечал выше - это ближайшая отражающая поверхность и, кроме того, построил простую математическую модель, где суммировал прямые и отраженные от пола колебания. Иллюстрации можно посмотреть здесь: Модель первого графика. Модель второго графика.
Среднее значение (черная линия) рассчитана по измеренным параметрам Тиля-Смолла динамика. В ходе экспериментов я сделал купольные среднечастотники типичными ЗЯ с добротностями около 1 (см. ИЧХ), забив тоннели в керне магнитной системы ватой. Одно время мне казалось, что так они звучат лучше. В связи с чем в схеме выше приведенного кроссовера присутствует цепь режекции на резонансе головок.
К сожалению, полученные результаты говорят о том, что измерения не могут быть абсолютно верными и ориентироваться нужно на некоторые усредненные значения при многократных измерениях в различных условиях (хотя бы в некотором телесном угле).
Аналогичные, но более сложные картины взаимодействия прямых и отраженных колебаний можно наблюдать при измерении в тех же условиях НЧ динамика. Поэтому измерения АЧХ НЧ динамика проводится в ближней зоне и вводится коррекция для "Baffle Step". При ширине корпуса 32см "срединная" частота, на которой вышеозначенный эффект дает подъем на 3дБ, получается равной 360Гц.

АЧХ и ИЧХ пары 75ГДН-3-4.

Зеленый и коричневый графики соответствуют скорректированным значениям, черный - измерению в ближней зоне. Разницы в графиках импеданса пугаться особо не стоит, потому что эта разница происходит из-за различных Re - активных сопротивлений катушек. Добротности и прочие характеристики довольно близкие. Максимум - в кроссоверах будут различаться сопротивления в цепях Цобеля (RC-цепь, компенсирующая индуктивность катушки).

Немного поработал с корпусами, срезал кромки...(установочные углубления были выфрезерованы ранее, когда АЧХ измерял :-) Сначала хотел срезать кромки под 45 градусов, чтобы клеить шпон. В итоге скруглил приличным радиусом. Есть идея оставить кромки скругленным и сделать их черными, к примеру, а плоскости покрыть шпоном и залакировать. Эх, трудоемко... и опыта работы со шпоном нет. Но, помечтать-то можно!
  Корпус [28kB]. Вид спереди.
  Корпус [30kB]. Изометрия.
  Корпус [27kB]. Добавились распорки.
  Корпус [16kB]. Вот такой радиус :-)

Кажется, закончилась (ВРУ!) моя эпопея с покраской колонок. В процессе поиска они были черными, бежевыми и, наконец, стали коралловыми. Само собой придумалось название - АС "Коралл".
Краска корпуса обладает светоотражающим эффектом и цвет колонок зависит от освещения. Краска (эмаль) алкидная высокоглянцевая, так было написано на банке. Срабатывающая вспышка фотоаппарата иногда делает их розовыми.
Красил с несколько слоев. Промежуточные слои шкурил мелкой шкуркой с водой.

Внешний вид.

Дополнительные иллюстрации:
  Бежевая краска [69kB].
  Коралловая краска [74kB].
  Вид сбоку [55kB].

Оклеил внутренности АС синтетическим войлоком. Толщина материала около 1см. Израсходовал около 2кв.метров. Использовал клей ПВА.
  Синтетический войлок [70kB].

Наступил долгожданный момент и я занялся кроссовером. Решил попробовать полипропиленовые конденсаторы: советские К78-25 и MKP германские (см.ниже).
  MKP 8mkF [46kB].

Сделал макет   Вот такой [59kB].
Все припаял, закрутил, поставил колонки на подставки по 20см и занялся измерением и прослушиванием. Измерения с помощью justMLS и SpectraRTA (свип и розовый шум) на уровне ВЧ динамика на расстоянии 110см от колонки с усреднением 1/3 октавы.
Я не угадал с чувствительностью СЧ динамика и середина оказалась "просаженной", звук "странным", детальным, но некомфортным. Поскольку именно середина вызвала мое неудовольствие, ей и было уделено пристальное внимание. Сам диффузор динамика настолько сильно был пропитан некоей смесью, похожей на графитовый порошек с вязким связующим, что казался чрезмерно демпфированым и тяжелым. Поскольку опыт пропитки купольных динамиков у меня уже был и положительный, я решил рискнуть и "отмыть" динамик. Пусть даже получится некоторая неравномерность АЧХ, мне очень был нужен легкий и чувствительный диффузор. Воспользовавшись 646-м растворителем, я размягчил диффузор и постепенно очистил его на сколько смог. В результате, даже не просохший динамик гораздо ярче и веселее заиграл в системе :-). Отмывка СЧ динамика дала положительный результат. Чувствительность вылезла на пару дБ. В системе сразу же появилась середина, а АЧХ динамика не ухудшилась. Я считаю, что оставшееся количество пропитки как раз в меру. Высохший динамик продемонстрировал разрешение, сопоставимое со старым бумажным доработанным широкополосником.
Полученные в результате измерений графики можно увидеть ниже:

АЧХ отдельные и суммарная.

Суммарная АЧХ изображена зеленым цветом и смещена для наглядности. Колонки и микрофон расположены равнобедренным треугольником. От микрофона до каждой колонки по 110см.

Затем я убрал немного уровень ВЧ, уж слишком ярко он выпирал. ВЧ были слишком заметны на общем фоне.
В области от 300Гц до 4кГц с ростом частоты повышается отдача. Суммарная АЧХ дает ровную линию. Причем, я пытался выровнять этот участок и у меня терялась локализация исполнителя, он как бы "повисал в воздухе". Сильнее выравнивал - начинали повисать и инструменты. С наклоном - все было четко. Тем не менее, связывать локализацию и наклон АЧХ я пока не стал. Выравнивать АЧХ я пытался увеличивая зону совместного действия СЧ и НС динамиков (конкретно, увеличивал емкость С3 с 13мкФ до 20мкФ), что, возможно, и влекло за собой размазывание инструментов и исполнителя, т.к. импульсные характеристики массивного диффузора 75ГДН-3-4 не идут в сравнение с куполом 20ГД-1. При уменьшении зоны совместного действия локализация становилась четкой, звук лучше.
Для сравнения по динамическим характеристикам и чистоте звучания провел многочасовое сравнительное прослушивание с широкополосным динамиком в открытом оформлении на большом экране. Динамик доработан герленом, имеет полную добротность около 0.7, отлично передает вокал и инструменты. Широкополосник зазывается 3ГДШ-2-4 1986г выпуска. Все двадцать лет исправно оттарабанил в радиоле (или в чем то подобном). Очень мягенький почти прозрачный бумажный подвес, чувствительность существенно больше, чем у 3-х полоски.
Ниже его АЧХ в 10см (глупости конечно, но красиво :-). Изменение фазы в конце рабочего диапазона из-за того, что не откалибровал звуковую карточку.
  АЧХ 3ГДШ-2-4 в ближнем поле.
  Внешний вид 3ГДШ-2-4
  Установка и сравнительное прослушивание.

Последние результаты с этим кроссовером остались такими, какими их нарисовала моделирующая программа:

АЧХ и ИЧХ пары АС.

Мои дальнейшие планы были следующие: попытаться уменьшить зону совместного действия ВЧ и СЧ динамиков. ВЧ динамик достаточно широко залезает в середину и поднимает ее. Учитывая упомянутые динамические характеристики это может быть целесообразно, но в меру!, потому, что выше 2...3 килогерц различение источников звука носит не фазовый, а амплитудный характер.

Почему результаты были последние? Потому, что через некоторое время случилась очередная революция. Схема кроссовера на СЧ секцию претерпела большие изменения, уж очень она накручивала фазу и была тяжеловата. Я отказался от ЗЯ в СЧ динамиках и частично очистил тоннель в керне магнитной системы от ваты. С помощью кусочков синтепона в тоннеле, я попытался сделать импедансы динамиков максимально плоскими.

АЧХ и ИЧХ пары 20ГД-1.

Добротность динамиков существенно уменьшилась, а звук мне понравился больше. Возможно, ранее мне мешал это заметить тяжелый диффузор или "что-то с ушами" :-). Появилась возможность отказаться от режектора на резонансе и это еще больше упростило схему. Снижение добротности убрало горб на АЧХ СЧ динамика, проходной конденсатор был увеличен до 19мкФ. Для фазового согласования в ВЧ секции тоже пришлось поменять топологию. Вот так изменение параметров динамика заставило изменить половину кроссовера. Схема СЧ секции теперь состоит из фильтра первого порядка и последовательной цепи режекции, которая чуть подрезает конец рабочего диапазона, при этом фазовая характеристика отличная и на звуке это сказалось потрясающим образом. Звук получился мягким, теплым и естественным.
А теперь результаты. Дистанция от микрофона до АС при измерении АЧХ более 1м, уровень ВЧ динамика:

Схема кроссовера.

АЧХ и ИЧХ пары АС.

Более поздние измерения, другая комната, стандартный 1м до АС на уровне ВЧ динамика:

АЧХ и ИЧХ пары АС.

Пока все. :-).
С наилучшими пожеланиями.
Ivanuch.