Филип Ньюэлл
Перевод Олега Науменко,
Техническое редактирование
Александра Кравченко,
Персонал студий звукозаписи склонен скорее мириться, нежели горячо соглашаться с присутствием рупорных излучателей в мониторных системах. Складывается впечатление, что рупоры стали рассматриваться как «необходимое зло», присущее совершенно иному миру – миру концертного звукоусиления и кинотеатров. Парадокс как раз и заключается в том, что большинство используемых в студиях рупоров изначально разрабатывались для звукоусиления и кино, тогда как практически все громкоговорители прямого излучения, используемые в студийных мониторах, специально для них и созданы. В значительной мере плохая репутация рупоров возникла именно из-за того, что в студии они автоматически попадали в положение «бывших ранее в употреблении» устройств. Рупорная технология страдает из-за недостатка всеобщего понимания вопроса и из-за существования массы несправедливых аргументов против такого акустического решения. Наверное, следующее утверждение относится к мониторным системам, как ни к чему другому, но если один из приборов, будучи неправильно использован, работает проблематично, то эти проблемы приписываются всем подобным приборам во всех ситуациях. Но тем не менее к делу: различия между рупорами и устройствами прямого излучения существуют в шести категориях:
1. чувствительность;
2. фазовая дисперсия;
3. отражения у края раструба (на выходе);
4. нелинейные свойства;
5. особенности механического сопряжения;
6. характеристики направленности.
Высокочастотные рупоры коаксиальных конструкций, таких, например, как Tannoy или Altec 604, пожалуй, единственные рупорные модели, которые широко распространены благодаря каким-то другим факторам помимо повышенной чувствительности. В вышеназванных конструкциях использование высокочастотного рупора является практическим способом достижения максимального приближения к трехмерному точечному излучателю. Во всех остальных случаях рупоры в студийных мониторах используются из-за их чувствительности и эффективности – высокого соотношения акустической мощности на выходе и прилагаемой электрической мощности на входе. Причины повышенной эффективности, похоже, не столь широко известны, но понятно одно: дело обстоит скорее в низкой эффективности прямых излучателей (нерупорных конструкций), нежели в какой-то особой «магии», присущей рупорам как таковым.
Рис. 1. Прерывность поперечного сечения в точках А, В, С и D заметно гасит выхлопной шум вследствие слабого акустического сопряжения между секциями. Система напоминает электрическую линию передачи от низкого выходного импеданса к высокому входному без посредничества согласующих цепей, например, трансформаторов
Представьте себе глушитель в выхлопной системе автомобиля (рис. 1). Если посмотреть на выхлопную систему в разрезе, мы увидим последовательно соединенные тонкие трубы, сменяющиеся трубами большего диаметра – секциями глушителя. Внутри глушитель имеет термостойкие поглощающие звук материалы, но главный его эффект – это присутствие в системе выхлопа последовательности резких изменений площади поперечного сечения. Каждый раз, когда мы встречаемся с резким ее изменением при передаче звука от одной секции к другой, мы сталкиваемся с потерей мощности. Это происходит в значительной мере из-за отражений, возникающих в зонах изменения акустического импеданса из-за резкого изменения толщины трубы. Еще один хороший пример резистивной и реактивной нагрузки – подвеска автомобиля. Если бы колеса были жестко соединены с кузовом, каждый подскок на дороге передавался бы на сиденье водителя с минимальными потерями. Такое «резистивное», т.е. активное, синфазное нагружение будет добросовестно передавать каждый бугорок на дороге находящимся внутри пассажирам практически мгновенно и неуправляемо. Установите пружины в качестве сопряжения между колесами и кузовом – и благодаря такому «реактивному», упругому нагружению вы добьетесь почти нулевой передачи этой энергии к кузову. Еще одно свойство этой «реактивной» системы поглощения энергии – потеря «мгновенности» сопряжения. Удар, приходящийся на колесо, задерживается на некоторый промежуток времени до того, как достичь сидений. В результате устранение прочной связи между дорогой и человеком, безусловно, обеспечивает пассажирам более приятное путешествие, поскольку реактивное сопряжение поглощает и отражает обратно большую часть «ударной» энергии, возникающей на неровных дорогах.
В каждом из вышеприведенных примеров – и глушителе, и пружине – энергия входной «волны» встречается с таким особым – менее жестким и менее подверженным внешнему воздействию – сопряжением. Сопряжение поглощает удар. Громкоговоритель прямого излучения в обычной комнате «видит» резкое изменение площади поперечного сечения, скажем, начиная с пятидюймового диффузора и до площади поперечного сечения самой комнаты. Согласование получается очень слабое, в результате чего страдает эффективность передачи энергии. Большинство громкоговорителей прямого излучения едва превосходят барьер коэффициента полезного действия в один процент – соотношение между подводимой электрической мощностью и акустической мощностью, развиваемой в помещении, остается у них очень плохим. 99% выходной мощности усилителя превращается в тепло внутри самих громкоговорителей. Представьте себе велосипедиста, съезжающего с горки на первой передаче. Он или она может крутить педали сколь угодно быстро, затрачивая огромное количество энергии и выделяя невероятное количество пота, но прибавляя слишком мало скорости. На первой передаче велосипедист явно чувствует низкое сопротивление воздействию педалей, направленному на передачу энергии от его ног машине.
Рупор – это акустический трансформатор, согласователь импедансов и коробка передач одновременно! Если наш велосипедист переключится на более высокую передачу, возникнет новая ситуация, когда педали оказывают большее сопротивление сильному нажатию. В этом случае через педали от ног к колесам будет передаваться большее количество энергии, а значит, будет сделано больше работы. Тогда велосипедист получает дополнительное ускорение вдобавок к ускорению свободного спуска. Рупор обеспечивает плавный переход от малого размера диффузора громкоговорителя к большой массе воздуха в объеме комнаты. Он предлагает диффузору совершать больше работы – дает более резистивное, «твердое» сопряжение со средой, менее упругое и поглощающее гораздо меньше полезной энергии. Рупорное нагружение доводит практический КПД передачи энергии до уровня 50%. Как сравнение двух крайностей, отметим, что громкоговорителю прямого излучения может потребоваться в 100 раз больше входной мощности для получения того же звукового давления в помещении, что и эквивалентному компрессионному драйверу, установленному в рупоре. Как показывает практика, разница коэффициентов полезного действия между студийными компрессионно-рупорными комбинациями и «прямыми» излучателями находится в районе 15 дБ, но даже эта цифра означает разницу мощности в 32 Вт в прямом излучателе для каждого 1 Вт в рупоре. Почему это так важно в студии? Потому что там, где громкоговорители прямого излучения работают на пределе своих возможностей, рупоры все еще остаются со значительным запасом мощности.
Оптимальная излучающая поверхность любого громкоговорителя, используемого в акустических системах, зависит от длины волны на частоте, с которой ему доведется иметь дело. Поскольку длина волны на частоте 1 кГц всего около одного фута (около 34 см), то для получения когерентного, синфазного излучения с широкой направленностью и всеми свойствами «точечного источника» диаметр излучателя должен быть заметно меньше, но определенно не больше одного фута. Обычно в безрупорных мониторных системах используются динамики с диффузорами диаметром 6 дюймов или меньше. Для таких громкоговорителей 200 Вт плюс-минус 2 или 3 дБ – типичная мощность, которую они выдерживают без заметных термических перегрузок. Многие из нас, наверное, знают, как нагревается 100-ваттная лампочка через несколько минут после включения. Отсюда становится очевидным, что вдвое большая мощность, развиваемая на маленькой катушке среднечастотного громкоговорителя, создаст в нем вполне ощутимое тепло. Помните, что громкоговоритель с коэффициентом полезного действия в 1% из 200 входных Вт превратит в тепло внутри себя 198.
Заключите такое тепло в небольшом объеме – и вы получите очень предсказуемые результаты. Очевидно, что при определенном количестве тепла вся конструкция загорится ярким пламенем, если только катушка не оплавится до начала возгорания! Да, существуют такие крайние, очевидные и катастрофические поломки, но даже когда до них еще дело не дошло, проявляются другие, не сразу заметные проблемы. Находясь под действием периодического нагревания и остывания, громкоговоритель может стать более подверженным деформации, преждевременному отказу или утратить стабильность и долговременность своих параметров. Нагревание магнитной катушки также вызывает увеличение ее сопротивления. Будучи разогретой, катушка номиналом в 8 Ом может «вырасти» до 16 Ом. Этот подъем сопротивления вызывает падение подводимой к громкоговорителю мощности от усилителя, т.е. проявляется «компрессия мощности», когда вход и выход более не находятся в линейной зависимости. Такая компрессия, возникающая на большой громкости, может являться причиной того, почему некоторые мониторы со среднечастотным громкоговорителем прямого излучения считаются более «ровными» на высоких уровнях мощности. Они компрессируют! Пока низкочастотный громкоговоритель, олицетворяющий ощутимую мощь, передвигается линейно, среднечастотный «прибирает» сам себя. Мы «чувствуем» больше мощности, но она, кажется, не давит нам на уши, по крайней мере до возникновения сильных искажений!
Если вы все еще настаиваете на необходимости уровней звукового давления порядка 120 дБ в точке прослушивания в средней или большой контрольной комнате, то прямые излучатели здесь находятся как раз на пределе своих возможностей. Отсюда использование рупорных систем.
Масса всей системы подвески мембраны типичного студийного компрессионного драйвера находится в пределах нескольких грамм. В некоторых случаях она может быть менее грамма. И хотя часто такие драйверы выдерживают по паспорту 100 или более Вт непрерывного музыкального сигнала, в студийных условиях для них достаточно будет 5-10 Вт в пике. В обычной 4-полосной мониторной системе с использованием рупорных верхней середины и твиттера основные запасы мощности придется отправить в низкочастотную секцию. Если, скажем, точки деления будут на частотах 300 Гц, 1200 Гц, и 6 кГц, то для получения звукового давления в 110 дБ в комнате потребуется мощность порядка 200 Вт для низких, 35 Вт для нижней середины. Незначительные 4 или 5 Вт понадобятся для верхней середины, и менее одного ватта уйдет на нагруженный рупором твиттер. Зная, какие массивные магниты сегодня применяются в распространенных среднечастотных компрессионных драйверах, нас не должно беспокоить повышение температуры магнитной катушки в таких типичных условиях работы.
Одно очевидное и, пожалуй, самое важное достоинство повышенной чувствительности такой системы – ее изотермичность, т.е. малые изменения рабочих температур. Тем самым гарантируется долгий срок работоспособности наряду с практически полным отсутствием температурной компрессии мощности. Малым весом мембраны и ее резистивным сопряжением с воздухом обеспечивается точнейшая передача импульсных сигналов, и это при отличной чувствительности. Одно важное преимущество высокой чувствительности – это большой запас мощности до искажений. Так что для любого желаемого уровня звукового давления запас мощности (headroom) у рупорной системы и у системы прямого излучения будет отличаться на разницу их чувствительности. Еще раз хочется подчеркнуть: это только плюс для чистого, быстрого воспроизведения импульсных сигналов на высоких уровнях громкости.
Вторая большая область различий между прямыми излучателями и рупорами – это фазовая дисперсия. Разные частоты движутся внутри рупора с разными скоростями. Ниже среза амплитудно-частотной характеристики звук все еще движется вдоль рупора, но эффективность его излучения падает до такой, какая была бы у компрессионного драйвера без рупора. То есть рупор более не нагружает громкоговоритель и не действует как акустический трансформатор.
Приближение к частоте этого среза вызывает серьезные последствия в фазовой характеристике. Говоря по существу, скорость звука в рупоре не всегда равна скорости звука в открытом воздухе. В открытой среде существует прямая и однозначная зависимость между длиной волны и частотой. Внутри рупора все происходит немного по-другому – фазовые скорости находятся в зависимости от двух важных явлений. Первое – это срез частотной характеристики, а второе – это отражения из-за изменения акустического сопротивления на выходе с рупора (раструбе). Для точного определения слышимых признаков этих источников дисперсии проводились глубокие исследования – путем разделения и отдельного анализа. Касательно составляющей дисперсии, связанной со срезом частотной характеристики, мы знаем, что при падении частоты ниже отметки, находящейся октавой выше частоты среза, возникает резкий, высокодобротный фазовый сдвиг. Если нам нужна высоколинейная система, будет разумно ограничить использование рупора в этой частотной области применением крутого фильтра кроссовера октавой выше частоты среза, если только наш рупор не достаточно идеален и не имеет очень плавную характеристику импеданса на этой частоте... Однако в подобном ограничении нет ничего, что бы заставило нас усомниться в превосходстве рупоров над прямыми излучателями. Последним точно так же свойственны неравномерности вблизи крайних значений рабочих параметров, причем эти фазовые и амплитудные искажения на практике исправить аналоговой электроникой невозможно. Основополагающее правило, что громкоговорители должны иметь октаву запаса плавной частотной характеристики как за верхней, так и за нижней частотами деления кроссовера, сегодня, как и вчера, остается неизменным.
Фазовые скорости также находятся под влиянием отражений от раструба рупора, ведь он представляет собой нарушение плавности расширения; эти проблемы начинаются на частотах более высоких, чем проблемы, связанные с частотой среза. Рупор, как и любой другой акустический излучатель, очень трудно заставить «покрывать» с хорошей фазовой точностью более чем три-четыре октавы. Однако посередине расчетного диапазона обычно находится зона, в которой ширина фазовой дисперсии приемлемо мала. Один из важнейших факторов, связанных с размахом (шириной) фазовой дисперсии, – это длина рупора. Чем больше расстояние от мембраны до раструба, тем больше времени волна проводит в диспергирующем пространстве рупора. Но и в попытке уменьшить эту длину тоже нужно знать меру – ведь сильное укорачивание рупора увеличивает дисперсию, вызванную раструбом рупора, из-за нежелательно резкого разрыва расширения в зоне «раструб – помещение».
Если подойти к конструированию с умом, то фазовая дисперсия в рупоре вовсе не будет заметно больше, нежели похожие проблемы в прямых излучателях. Но из-за того, что зачастую рупоры используются в слишком широком диапазоне частот, им приходится отрабатывать как слишком низкие для них частоты в области частоты среза, так и слишком высокие, на которых чрезмерно сужается характеристика направленности. Слишком часто задачей конструкторов было обеспечение заявленных в паспорте границ «частотной характеристики» без должного внимания к возникающим при этом дисперсионным явлениям. Фазовая дисперсия отразится на импульсной характеристике системы, но вряд ли ее можно увидеть на анализаторе спектра. Слишком много существует рупорных разработок, которые используются вблизи пределов своих характеристик. Вот вам хотя бы один пример, как репутация рупорных технологий портится из-за некорректного применения, причем зачастую в этом участвуют компании, от которых мы без тени сомнения ждем лучшего!
Рис. 2. Сравнение нагрузки мембран (предоставлено Кейтом Холландом)
В громкоговорителях прямого излучения тоже имеет место фазовая дисперсия, и связана она в основном с возникающими в диффузоре собственными концентрическими колебаниями (break-up modes) при достижении критических амплитуд смещения. Скорость звука в диффузоре выше, чем в воздухе. Звук движется по диффузору от центра во все стороны и отражается от края обратно к катушке. В предельном режиме работы такие стоячие волны при взаимодействии с волнами в воздухе – в процессе взаимного суммирования и вычитания – вызывают дисперсионные процессы. Это одна из причин использования сложной мягкой подвески на краю диффузора – поглотить эти колебания, как только они достигают внешнего края и таким образом предотвратить их отражение обратно к катушке. В предельных режимах работы диффузор проявляет неминимально-фазовый характер поведения. Итак, снова подчеркнем, что правильно разработанный и так же правильно применяемый рупор вовсе не хуже, чем прямой излучатель. Да, рупоры чаще неправильно используются, но винить в этом нужно не рупоры!
Есть еще один аспект различного фазового поведения рупоров и громкоговорителей прямого излучения. Ричард Смолл (Richard Small) в 1970 году опубликовал «Constant-Voltage Crossover Network Design». Там есть такая формулировка: движение диффузоров громкоговорителей прямого излучения в основном управляется массой, а движение мембран рупорных громкоговорителей контролируется активным сопротивлением воздуха. В результате – постоянный фазовый сдвиг на 90 0 между передаточными характеристиками этих двух видов излучателей. И в самом деле, как говорилось ранее по поводу чувствительности, реактивное и резистивное (активное) нагружение являются определяющими факторами разительного отличия чувствительности прямых излучателей по сравнению с рупорными. Мы с доктором Кейтом Холландом (Keith Holland) подвергали эту ситуацию переоценке, особенно в том, что касается сопротивления отражения. Возможные последствия выражаются в различии фазовых характеристик в зависимости от того, какое частотное деление используется: пассивное, с присутствием сопротивления в цепи, или активное, когда громкоговоритель напрямую движим источником напряжения – подключен к терминалам выхода усилителя. Это дает свои последствия в виде различий фазовых характеристик тех систем, частью которых такие излучатели являются (рис. 2).
Последующее описание акустики рупорных излучателей началось с просьбы к Кейту Холланду ответить на часто задаваемый вопрос: «Почему рупоры имеют частоту среза?» Тщательный поиск в литературе не дал результатов – не нашлось никакого физического объяснения, и нижеследующая формулировка физической теории поведения рупоров впоследствии привела к полезному развитию этого упражнения по «моделированию с одним параметром».
Рупоры – это волноводы, чья поперечная площадь возрастает постоянно или как-то еще, от малой у входа до большой у выхода. Поэтому распространяющаяся внутри акустическая волна вынуждена расширяться по мере распространения от входа к выходу настолько, насколько расширяется в данном месте сам рупор. Сравнение распространения волн в двух простых акустических системах поможет объяснить физику рупора: одна – в которой волна не расширяется по мере продвижения, вторая – в которой она расширяется. В первом случае представьте себе распространение одномерной свободной плоской волны: например, низкочастотный звук в бесконечной трубе. Волновой фронт, определяемый в таком случае как изофазная поверхность, не претерпевает никаких изменений в поперечном сечении при распространении волны, и нормализованное акустическое сопротивление вдоль или поперек трубы является чисто резистивным и равняется единице, не считая потерь.
Поэтому любой источник волны с плоским фронтом фазовых скоростей, установленный где-либо внутри этой трубы, не «видит» никакого реактивного акустического сопротивления – ни добавочной массы, ни упругости.
Во втором случае представьте себе распространение трехмерной свободной сферической волны, излучаемой одиночным точечным источником. В этом случае волновой фронт при распространении беспрерывно расширяется, и нормализованный акустический импеданс в любой точке зависит от расстояния до источника и от частоты. Импеданс стремится к единице и потому на большом удалении и на высоких частотах практически полностью активный, но на малом удалении от источника и на более низких частотах реактивное сопротивление среды превалирует.
Там, где произведение расстояния на частоту равно скорости звука, поделенной на 2p, реактивная и активная составляющие сопротивления будут равны. Поэтому источник сферической волны конечного размера будет находиться под действием преимущественно либо реактивной, либо активной акустической нагрузки в зависимости от своего диаметра и частоты колебаний. Единственная, с точки зрения физики, разница между распространением волн в этих двух акустических системах – это расширение или «растягивание» сферической волны при движении, наподобие растягиванию материала воздушного шарика по мере надувания. В случае плоской волны положительная по направлению вперед скорость частицы воздуха сопровождается положительным изменением (увеличением) давления в этой самой точке из-за параллельного движения всех соседних частиц, и происходит излучение звука. Но в случае же сферической волны из-за того, что положительное передвижение одной частицы заставляет соседние частицы двигаться в стороны друг от друга, положительное, подобное плоской волне, давление сопровождается отрицательным «растягивающим» давлением вследствие расширения. Можно показать, что давление плоской волны пропорционально и синфазно с колебательной скоростью (скоростью движения частиц) и не зависит от частоты или расстояния. Не распространяющееся «растягивающее» давление пропорционально смещению, обратно пропорционально частоте и расстоянию и имеет фазовый сдвиг в 90 град. по отношению к колебательной скорости частиц.
Следовательно, расширение волны, а стало быть, и «расширяющее» давление имеют свойство снижать вклад активной составляющей импеданса среды на низких значениях произведения расстояния на частоту и повышать вклад реактивной составляющей. Такая положительная реактивность обычно ассоциируется с добавочной массой, но в сферических волнах не наблюдается добавление инерции по сравнению с плоскими. Поэтому обычное объяснение неадекватно описывает причину этого свойства. В данном случае положительная реактивность импеданса объясняется «отрицательной упругостью», а не добавочной массой. Пространство вблизи малого источника, где преобладает реактивность, известно как гидродинамическое ближнее поле этого источника, и расстояние, на котором эта зона заканчивается, частотно-зависимо. Пространство вне ближнего поля, где преобладает активное сопротивление, называют дальним полем.
Концепцию растягивающего давления можно применить к рупорам с учетом их степени расширения. Степень расширения можно задать как соотношение скорости изменения площади волнового фронта с расстоянием до него. Конический рупор имеет обратно пропорциональную расстоянию от вершины конуса степень расширения. Тогда источник сферических волн можно рассматривать как особый случай конического рупора, имеющий то же математическое выражение для степени расширения. Для любой отдельно взятой частоты амплитуды активной и реактивной составляющих импеданса становятся равны на таком расстоянии, где вышеуказанное произведение частоты на расстояние равно единице. На этом расстоянии степень расширения равна удвоенному волновому числу в свободном поле (2 p, поделенное на длину волны) и идентична степени расширения экспоненциального рупора, имеющего срез на этой самой частоте. Для степеней расширения меньше этой величины имеет место резистивное распространение, свойственное дальнему полю, а при большем значении – свойственное ближнему полю реактивное распространение. Пользуясь этим физическим аппаратом, можно объяснить различия в поведении разных видов рупоров.
Радиальная зависимость степени расширения в коническом рупоре, волновое поле в котором имеет свойства сферической волны, обуславливает очень плавный переход от реактивно настроенного ближнего поля и связанного с ним «растягивающего» давления к преобладающе активному излучению в дальнем поле по мере продвижения от горловины к выходу. Переход от ближнего поля к дальнему, от реактивной к активной доминанте в коническом рупоре происходит постепенно с увеличением частоты и/или расстояния от акустического центра, и поэтому трудно определить четко различимые «зоны» различных видов сопротивления среды распространению волн. Поскольку именно активная нагрузка дает рупорам их более высокую чувствительность по сравнению с прямыми излучателями, при возрастании активной составляющей нагрузки возрастет и эффективность излучения. Вышесказанное подтверждается плавным и постепенным срезом графика импеданса у горловины конического рупора (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение нормализованного сопротивления горловины экспоненциального и конического рупоров сравнимых размеров (отражения от края раструба игнорируются). Графики акустического сопротивления соответствуют типичным для таких рупоров АЧХ
С другой стороны, экспоненциальный рупор характеризуется постоянной степенью расширения на всей его длине. Поэтому на частотах ниже частоты среза распространение в ближнем поле и активное сопротивление существуют на всей длине рупора. Ниже частоты среза, если рупор достаточно длинный, внутри его почти абсолютно доминирует реактивный импеданс. И наоборот, выше частоты среза доминирует активная нагрузка и условия распространения соответствуют дальнему полю опять практически на всем протяжении рупора. Выше частоты среза движение волн внутри экспоненциального рупора физически напоминает сферическую волну большого радиуса с минимальным «растягивающим» давлением. Ниже частоты среза волна находится под сильным влиянием «растягивающего» давления и потому похожа на сферическую волну малого радиуса. Определенно явление резкого среза у экспоненциального рупора вызвано тем, что при понижении частоты ниже частоты среза переход от активного к реактивному характеру сопротивления имеет место одновременно по всей длине рупора, что и приводит к типичной характеристике импеданса у горловины экспоненциального рупора, как показано на рис. 3.
Поэтому использование конических рупоров в аудио очень ограничено – ведь для любых практически применимых размеров рупора активная нагрузка, а значит, и эффективность излучения, возрастает медленно, так что полезное и высокоэффективное излучение начинает формироваться в устойчивую и ровную характеристику на частотах более высоких, чем у сравнимого по размерам конического рупора. Ниже частоты среза любой рупор имеет свойства, схожие с реактивной нагрузкой на громкоговоритель прямого излучения, соответственно, его чувствительность заметно падает и становится сравнимой с чувствительностью прямого излучателя того же размера горловины. Поведение других видов рупоров, таких, как гиперболический, гипекс (гибрид гиперболического и экспоненциального) и синусоидальный, можно объяснить при помощи той же концепции «растягивающего» давления.
Здесь мы сталкиваемся с еще одной проблемой, которая свойственна рупорам почти эксклюзивно. Такая проблема должна возникать и с прямыми излучателями, но, как мы видели, сопряжение диффузора (эквивалент раструба) с воздухом настолько слабое, что отраженная энергия слишком слаба и проходит слишком малое расстояние, чтобы дать хоть сколь заметный эффект в выходном сигнале.
В случае с рупором расстояния, на которые могут передвигаться отражения от раструба обратно к горловине, достаточно велики, чтобы вызывать заметные последствия, а мощность этих отражений может быть довольно высокой. Неправильная конструкция раструба гарантирует значительные отражения вследствие некорректного окончания рупора. Волны, отражающиеся обратно внутрь рупора, скоро окажутся у горловины, где сложатся или отнимутся от последующих прямых волн. Эти сжатия и расширения в обратном направлении накладываются на давление, формируемое в горловине, а значит, изменяют характеристику импеданса рупора, т.е. нагрузку мембраны.
Как мы узнали от нашего друга на велосипеде, импеданс (система передач) и эффективные нагрузка и сопряжение (педали и цепь) имеют большой вес (здесь уже нет механической аналогии!) в процессе доставки энергии к колесам. Точно так же переменный импеданс горловины будет оказывать серьезное влияние на работу мембраны, а значит, на выходную мощность. Как известно, выходная мощность драйвера, измененная направленностью рупора, характеризуется амплитудно-частотной характеристикой комбинации «драйвер + рупор». Отражения от раструба оказывают сильное влияние на частотную характеристику и на проблемы, связанные с фазовой дисперсией. Для получения «прямой» амплитудно-частотной характеристики размер раструба является определяющим параметром по отношению к нижней рабочей частоте рупора, тогда как форма раструба сказывается на направленности излучения. Эти факты конструктору нужно держать в уме, когда он пытается выдержать характеристики и минимизировать отражения.
Рис. 4. Импедансы горловин, а значит, и АЧХ одного и того же рупора; а) с насадкой на раструб, б) без нее. Заметьте, иной рисунок отражений после изменения формы раструба. Очевидно, рупоры будут звучать по-разному (оба образца установлены на перегородку)
Здесь следует заметить, что не надо путать низкочастотный предел сопряжения с воздухом, определяемый размерами раструба, с частотой среза самого рупора. Первый определяет степень сопряжения раструба рупора с комнатой; частота же среза определяется нагрузкой, которую «видит» мембрана, находясь в горловине рупора. Частота среза всецело зависит от степени расширения самого рупора независимо от длины или размера раструба. Распилите рупор посередине его длины – и частота среза останется та же. У одного из получившихся малых рупоров меньший по размерам раструб не сможет столь хорошо сопрягаться на низших частотах с объемом комнаты, так что «частотная характеристика» не будет иметь прежних нижних частот, но в остальном рупор останется вполне тем же, за исключением эффекта возникших резких краев раструба и других связанных с этим атрибутов. Единственный другой важный эффект такого урезания будет в том, что отличающийся раструб более короткого рупора неизбежно произведет другие отражения по сравнению с более длинным рупором. Эти другие отражения неизбежно приведут к формированию иной картины волнового взаимодействия, влияющего на импеданс горловины, а значит, неизбежно проявятся в виде иного набора провалов в амплитуде
звукового давления или так называемой «частотной
характеристике» (рис. 4).
Полностью избежать отражений от края раструба можно только используя бесконечно длинный рупор, но при хорошо продуманной конструкции проблемы, связанные с требуемым диапазоном частот, можно свести до пренебрежимо малых пропорций. В неправильных раструбах, например, с резкими краями, могут возникать еще и перекрестные стоячие волны, которые оказывают влияние на отражения, поступающие обратно внутрь рупора. И снова мы имеем дело с неправильной конструкцией, так что не следует направлять критику в сторону рупоров как таковых!
Другими словами – искажения! «Когда ты его разгоняешь – он звучит более жестко!» Многие из вас в то или иное время, наверное, слышали подобные заявления о рупорах. И вправду, в некоторой степени это справедливо, но часто этот эффект отмечают вне здравого контекста. Многие рупоры способны развивать большую акустическую мощность, нежели громкоговорители прямого излучения. Дополнительная «чистота» на высоких уровнях часто позволяет рупорным системам превосходить уровни, на которых система прямого излучения будет создавать серьезные искажения. Причем не обязательно рупор будет заметно громче. Другими словами, отсутствие сильных искажений иногда склонно обманывать ухо в отношении громкости звучания. Когда рупор становится заметно «жестким» в этом диапазоне или выше него, критически сравнивать с прямыми излучателями немного несправедливо, ведь последние могут выйти из строя или начать сильно искажать десятью децибелами ранее!
Несмотря на это, в рупорах есть другие характеристики, проявляющие тенденцию к нелинейности на высоких уровнях. Явления электротермического нагрева магнитной катушки не должны быть проблемой в студии. Теплоемкость и теплоотвод, обеспечиваемые массивным магнитом, достаточно велики по сравнению с несколькими ваттами мощности в катушке. Однако тепло, вызванное сжатием воздуха вблизи мембраны, может играть свою пагубную роль в формировании нелинейности.
Классические «воздушные искажения» как проблема рупоров при работе на высоких уровнях звукового давления известны довольно давно. Зазор между мембраной и фазирующим вкладышем имеет сравнительно малый объем. На высоких уровнях давления очень быстрыми движениями мембрана сжимает воздух в зазоре в момент движения вперед и вызывает его разрежение при движении назад. Любое количество силы, затраченной на сжатие, вызовет меньшие изменения в объеме воздуха, чем то же количество силы, потраченное на его разрежение. К примеру, на объем воздуха 1 куб.см действует сжимающая сила Х, в результате чего объем сжимается до, скажем, 0,82 куб.см. При разрежении та же самая сила расширит объем воздуха, скажем, до 1,22 куб.см.
Рис. 5. Обычные искажения перегрузки в воздухе
Изменение объема при сжатии равняется 1 – 0,82 = 0,18 куб.см; при разрежении объем изменится на 0,22 куб.см (рис. 5). Как результат, положительный полупериод синусоиды будет меньше, чем отрицательный – не что иное, как нелинейные искажения на выходе. Это происходит на таких уровнях, когда воздух уже «не успевает передвигаться слишком быстро» вслед за колебательным движением мембраны.
Если вам все еще сложно представить, почему полупериоды сжатия и разрежения производят разные изменения объема, подумайте вот о чем. Полуцикл сжатия имеет в своем распоряжении максимум всего 1 куб.см, и это до полного сжатия в одну бесконечно малую точку. У полуцикла разрежения, с другой стороны, есть вся вселенная, в которую можно расширяться. Поэтому сопротивление излишку давления при сжатии гораздо более «срочное», нежели соответствующее сопротивление недостатку давления при разрежении. Можно привести не совсем удачную аналогию – соединяя два идентичных источника переменного напряжения синфазно, получаем рост напряжения всего на 6 дБ. Противофазное же включение приведет к минус бесконечности дБ, или нулю вольт – т.е. к полному взаимному вычитанию.
Возвращаясь к теме нагревания, в институте ISVR (Institute of Sound and Vibration Research) мы наблюдали еще одну форму искажений. Это результаты очень высоких уровней давления, возникающих в области мембраны. Для получения 120 дБ в районе микшерной консоли мониторная система должна развивать, скажем, 130 дБ у раструба рупора. Следуя далее по цепочке, это превратится в 150 дБ у горловины рупора и 170 дБ вблизи мембраны. 195 дБ – это давление в одну атмосферу, так что можно понять, что мы имеем дело с очень большими колебаниями давления в зоне фазирующего вкладыша. На таких высоких уровнях звукового давления воздух ведет себя, как ярко выраженная нелинейная акустическая среда.
Несколько лет назад, участвуя в некоторых исследованиях в Кейп Канаверал и являясь свидетелем запуска ракеты Atlas-Centaur, я с большим удивлением наблюдал вживую все те «искажения», которые ранее слышал только по телевизору во время репортажей. Я всегда относил этот ужасный треск на счет перегрузки микрофона или усилителя, наивно полагая, что виной тому проблемы записывающей или воспроизводящей системы. Поверьте мне, этот разрывающийся, неистовый и яростный звук столь же очевиден вблизи ракеты, как и по телевизору. Причем вживую он еще более очевиден даже на расстоянии пяти или десяти миль от места старта. Завесу над причинами данного явления мне приоткрыл Доктор Крис Морфи (Chris Morfey) из Саутгемптонского университета. Он изучал шумовые следы ракет и заметил, что по сравнению с низкочастотными компонентами шума высокочастотные не затухают с расстоянием так быстро, как при обычных обстоятельствах. Считается, что причиной проблемы является нелинейность воздуха, и так как в хвосте ракеты Saturn V могут развиваться добрые 200 дБ при старте, то мы определенно находимся глубоко в зоне нелинейности.
При таких уровнях звукового давления в полуцикле сжатия создаются локализованные зоны увеличенных температуры и давления, отчего локальная скорость звука становится выше, чем в окружающем воздухе. В полуцикле разрежения резкое падение локальной температуры создает условия понижения скорости звука ниже нормальной отметки. Скорость звука в воздухе зависит от температуры. На уровне моря она выше, чем на высоте 10 км, где температура воздуха обычно держится в районе -56° C. Вот почему самолеты, которые летают высоко и быстро, имеют на борту махметры, а не обычные измерители скорости потока воздуха, дающие показания в кнотах. 1 мах – это локальная скорость звука независимо от фактического значения скорости в кнотах, или милях в час.
Рис. 6. Набег нелинейного ударного искажения на высоких уровнях звукового давления
В результате (см. рис. 6) на уровне звукового давления, скажем, 155 дБ, положительная полуволна будет двигаться быстрее, чем отрицательная (разреживающая), и происходить это будет так до тех пор, пока звуковая волна распространяется в условиях выше порога сильной нелинейности. Положительный полупериод будет догонять следующий отрицательный, пока синусоидальная форма волны не превратится в пилообразную. Именно это «острое лезвие» пилообразной формы низкочастотной волны не дает шуму «притупляться» и становиться глуше даже на больших расстояниях. Синусоида не может «перекрутиться» так, как показано на рис. 7, поскольку это означало бы, что она имеет три значения одновременно в одной точке, что абсолютно невозможно. Вместо этого колебания превращаются в последовательность ударных волн. Это похоже на процесс, происходящий при преодолении самолетом «звукового барьера» – волны «набегают» одна на другую, создавая шок, или «звуковой удар».
Рис. 7. Полный цикл развития нелинейного ударного искажения на высоких уровнях звукового давления
Даже если бы громкоговорители прямого излучения были способны развивать 170 дБ на поверхности диффузора, соответствующее разрежение, а следовательно, понижение давления в комнате было бы настолько резким, что у такой сильной волны просто не было бы эффективного расстояния, в котором можно распространяться. Положительная полуволна не может догнать отрицательную, если расстояния для этого просто нет. Олимпийский спринт на 0 метров невозможен – если нет расстояния, нет и гонок! Однако в рупорах это понижение давления происходит постепенно. Как мы уже обсуждали, именно благодаря плавному изгибу от мембраны к внешнему объему воздуха рупору дается лучшее акустическое сопряжение со средой, и, следовательно, более высокая эффективность преобразования. Но надо помнить, что если существует отрезок внутри рупора, где уровень звукового давления превосходит 150 дБ, какова бы ни была его длина, нелинейный характер распространения волн и соответствующие искажения практически гарантированы.
Для получения плавной характеристики при создании рупора необходимо поддерживать постоянный изгиб на всем пути от раструба к мембране. Любая параллельная секция в раструбе или другое резкое изменение его поперечного сечения могут привести к сильной неравномерности в характеристике. Для постепенной передачи сопряжения на мембрану иногда приходится использовать конические трубки или фазирующие вставки, которые в совокупности с мембраной иногда выглядят, как крышки столовых приборов для специй. Когда развивается давление в 120 дБ, и все эти децибелы продираются к нам через этот «перечный горшочек», не удивляйтесь тому, что звук, проходя через эти тонкие отверстия, становится немного «громче». Что касается конструирования фазирующих вставок для рупоров высокого звукового давления, то для компромисса между высоким коэффициентом полезного действия и устранением тенденций вышеназванных эффектов рекомендуется слегка уменьшать степень компрессии. Эффект от такой модификации может получиться очень хороший, в то время как сопутствующее падение чувствительности останется пренебрежимо малым.
Но опять-таки на умеренных или даже довольно высоких студийных уровнях воспроизведения такие нелинейности возникать практически не будут. Конечно, они все-таки имеют место в кинотеатральном и концертном звукоусилении и, конечно же, они звучат жестче, если их «разогнать», но это происходит не на уровнях студийного мониторинга, а на более высоких.
Существует другой аспект, связанный с этими маленькими отверстиями и слотами в фазирующих вставках – попытка передачи такой высокой колебательной энергии по такому малому объему тонких трубок приводит к тому, что движение воздуха становится турбулентным потоком. Турбулентность вызывает появление шума (или негармонических искажений) на выходе, сила и характер которого зависят от потока воздуха, а тот, в свою очередь, – от уровней звукового давления. Доктор Вольф из NASA Ames Research Center, Калифорния, говорил мне о существовании формул для нахождения оптимального соотношения длины и диаметра по минимальному уровню генерации турбулентного шума. С учетом того, что в фазирующих вставках требуются конические отверстия, расчеты по минимальному шуму сильно затрудняются, но Кейт Холланд работал над этим в ISVR. Феномен это связан еще с так называемым эффектом Вентури, где скорость потока меняется с изменением площади поперечного сечения трубки. Тот же самый феномен заставляет самолеты подыматься в воздух, а бензин – распыляться в карбюраторе: по мере уменьшения диаметра трубки скорость потока растет, а давление падает.
Есть еще проблемы, связанные исключительно с самими рупорами и компрессионными драйверами, но обычно они проявляются на таких высоких уровнях звукового давления, на которых громкоговорители прямого излучения давно можно считать вне игры.
Рис. 8. Сравнение уровня гармонических искажений у электростатического, прямого и рупорно-компрессионного излучателей. Измерено при помощи B&K 4134/2032
Многие производители не склонны публиковать подробные цифры о гармонических искажениях своих громкоговорителей независимо от того, рупорные они или прямого излучения. Некоторые сравнительные показатели приведены в таблице на рис. 8. Хотя некоторые электростатические купольные среднечастотные устройства могут воспроизводить с искажениями на уровне -60 дБ или ниже, что соответствует 0,1%, большинство прямых излучателей работает в диапазоне искажений -50...-60 дБ. Это правда, что некоторые комбинации компрессионных драйверов и рупоров могут быть более склонны в сторону уровня -40 дБ, или 1% искажений, но, несмотря на это, существует много хороших примеров, у которых при студийных уровнях воспроизведения искажения остаются на уровне -50 дБ, или 0,3%. Обычно считается, что гармонические искажения на уровне менее 0,5% у громкоговорителей не слышны из-за эффекта маскирования и других проблем восприятия. Как только искажения падают ниже этого уровня, я уверен, другие факторы начинают играть более важную роль, чем гармонические искажения. Диффузоры, купола, электростатики, пленочные и рупоры – все они способны достигать приемлемо низкого уровня гармонических искажений.
Рис. 9. Традиционный способ выравнивания магнитных катушек излучателей с целью получения фазово-когерентного волнового фронта, очевидно, игнорирующий механические задержки распространения и электрические групповые задержки
В середине 1970-х был определенный всплеск интереса к «совмещению во времени», или «линейно-фазовой настройке». Точный способ применения принципа был слегка завуалирован, и, как мне кажется, во многих конструкциях использовался с ошибками и заблуждениями. Фундаментальный постулат был таков: синхронизировать время прихода импульсов от отдельных излучателей в точке расположения уха слушателя. Этого обычно пытались добиться вертикальным расположением и ступенчатым углублением отдельных громкоговорителей в системе (рис. 9). Произвольно или нет, но во многих случаях именно магнитные катушки считались местом нахождения источника звука, так что среднечастотные рупорные громкоговорители из пользы превратились в недостаток (рис. 10). Как вы видите, попытка поставить на одну линию магнитные катушки компрессионного драйвера и низкочастотных динамиков может привести к тому, что рупор будет выдаваться на полметра из передней панели. Некоторые компании, использующие технологию «длинных рупоров» в своих моделях, прибегли к линиям задержки в попытке электроакустическим способом вернуть системам соосность без выдвижения рупора. Но согласно моему опыту иногда с подобной компенсацией просто «перегибали палку». Так делали, потому что не принимали во внимание явления групповых задержек в кроссоверах, да и задержен распространения, свойственные самим излучателям.
Рис. 10. Абсурдный пример попытки «выравнивания», похожий на рис. 9, но с использованием длинных рупоров. Обычное крепление рупора за фланец заподлицо с перегородкой даст около 1 мс отклонения на каждые 30 см разницы в расстояниях между катушками излучателей
Если принимать это во внимание и учитывать влияние групповых задержек на низкочастотные громкоговорители, то короткие рупоры во многих ситуациях могут оказаться более приемлемым решением, чем громкоговорители прямого излучения. В этом случае необходимость «задвигать» средне- и высокочастотные секции путем установки в отдельные корпуса просто отпадает. А еще в таком варианте не будет возникать проблем дифракции из-за неудачного взаимного расположения рупора и прямых излучателей.
Одно из неотъемлемых достоинств среднечастотных рупоров по сравнению с прямыми излучателями – это их способность хорошо контролировать полярные характеристики распространения звука в пространстве, или направленность. Хотя общее расширение рупора должно в точности следовать желаемому математическому закону – к примеру, экспоненциальному, гиперболическому, катеноидальному, гипексному, – но относительные размеры, ширина и высота могут меняться. Очевидно, осесимметричная конструкция дает одинаковый угол раскрытия по горизонтали и вертикали (круговая в поперечной плоскости), что сродни обычным громкоговорителям. Возможность изменения формы раструба можно использовать для задания самого различного направления распространения. Обычные рупоры могут покрывать пространство с углами 60 град.-120 град. в горизонтальной плоскости, в то же время обеспечивая от 30 град. до 60 град. в вертикальной. Такая способность позволяет рупорным системам направлять звук и покрывать требуемую площадь, не ограничиваясь симметричными характеристиками направленности диффузора или купольного излучателя. По мере повышения частоты качество управления характеристикой направленности у рупоров ухудшается, поскольку высокие частоты фокусируются в более узкий луч, как-будто рупор перестал действовать.
Проблему сужения высоких частот можно преодолеть использованием так называемых «рупоров постоянной направленности», которые обычно являются гибридами экспоненциального и конического видов и у которых направленность сравнительно мало меняется с повышением частоты. За это приходится платить падением общего уровня высоких частот по мере роста частоты выше точки, где начинает сказываться масса мембраны. Постоянную направленность получают правильным использованием дифракционных углов в геометрии рупора. В обыкновенном рупорном излучателе общая мощность высоких частот уменьшается, и происходит это с сужением характеристики направленности. Однако благодаря обострению направленности энергия этих частот больше концентрируется на оси излучателя, так что осевая амплитудно-частотная характеристика может оставаться вполне «прямой», а вне оси высокочастотные составляющие спадают. Общая излучаемая мощность обеих конструкций остается та же, и поскольку рупоры постоянной направленности распределяют ту же спадающую энергию высоких частот на большую площадь, для восстановления «прямой» амплитудно-частотной характеристики необходимо ввести компенсацию, увеличив уровень подводимого к драйверу электрического сигнала на высоких частотах. Спад на высоких частотах является минимально-фазовым, так что электронная эквализация восстановит фазовую характеристику наравне с амплитудной. Если бы спад не был минимально-фазовым, цена за постоянную направленность была бы еще и в фазовой неточности. Это абсолютно субъективно, но я предпочитаю использовать рупоры обычной конструкции из-за мой внутренней обеспокоенности по поводу слышимости артефактов эквализации в мониторных системах. На частотах, где ширина характеристики направленности падает ниже приемлемого предела, я предпочитаю при помощи кроссовера вносить в схему совместимый, комплементарный высокочастотный излучатель. Дальнейшие измышления о недостатках конструкций с постоянной направленностью будут обсуждаться в следующих статьях.
В этой статье я решил остановиться на различных свойствах рупоров, ведь такая информация не столь широко известна, хотя свойства громкоговорителя прямого излучения описаны в книгах достаточно хорошо. Я использую среднечастотные громкоговорители прямого излучения так же часто, как и рупоры, но если речь идет о высоких уровнях звукового давления, я использую рупоры почти исключительно. Да и на низких уровнях звукового давления рупоры как таковые не хуже, если сделаны специально для данного применения. Более того, сферический характер распространения волн делает рупор более близким к точечному излучателю, чем похожий на поршень прямой излучатель. В случае сферической расширяющейся волны только одна точка излучателя направлена на слушателя, в то время как в прямых излучателях существует множество путей распространения от поверхности диффузора к слушателю, которое привносит лепестки в характеристику направленности (рис. 11). Я не пытаюсь рекламировать рупоры, а просто пытаюсь показать, что в многих критических ситуациях у них есть преимущества, зачастую непризнанные.
Рис. 11. (а) Сферическая расширяющаяся волна, где все частицы движутся вовне друг от друга (б) поршневые излучатели создают взаимно пересекающиеся направления в движении частиц, что приводит к интерференции и возникновению лепестков в диаграммах характеристик направленности
Рупорные разработки, используемые в некоторых студиях, позаимствованы из концертных залов или кинотеатров. Иногда это делалось без достаточного внимания к различным требованиям различных сфер применения. Кино, концертное звукоусиление и студийная практика – каждая сфера имеет свой собственный набор компромиссов, лежащих в разных плоскостях из-за различия условий и приоритетов. В студии не приходится бороться с реверберационными условиями кинотеатров или иметь дело с необходимостью «бросать» звук на балкон на расстояние 70 м от источника. Вдобавок к этому в преимущественно реверберационном поле этого балкона нет смысла поддерживать точность переходных характеристик, столь необходимую в студии. Если двадцать лет рупор успешно используется в диапазоне от 800 Гц до 20 кГц в одном отдельно взятом применении, то это еще не означает, что он и в другом применении подходит в этой полосе частот. Здесь нужно учитывать очень много факторов.
В студийных среднечастотных рупорных излучателях заложен огромный потенциал: очень низкий уровень искажений, быстрая передача переходных процессов, высокая выходная мощность, высокая надежность и стабильность по отношению к выходной мощности, управляемая направленность. И это еще не все преимущества. Эти потенциальные достоинства часто подвергались толкованию при попытках пропускать через рупоры слишком широкие или попросту несоответствующие полосы частот. Они применялись с известной долей непонимания и недостатка всесторонней осведомленности относительно слабых и сильных сторон. Они требуют осторожности при учете их взаимодействия как с другими громкоговорителями в системе, так и в отношении внутреннего объема помещения.
Специально для студийного мониторинга создано совсем немного рупоров. А еще рупоры могут дороже стоить как в разработке, так и в производстве. Студиям принадлежит менее 1% всех продаж профессиональных акустических систем, так что можно понять, почему крупные производители вкладывают львиную долю своих ресурсов и опыта в другие направления. В какой-то момент я почувствовал, что потенциалу рупоров уделяется слишком мало внимания и часто они становятся объектом клеветы из-за недостатка понимания важных аспектов их поведения. Поэтому все вышесказанное было о том, о чем другие книги либо молчат, либо что не могут разъяснить.
В 1988 году Дэвид Хокинс (David Hawkins) из Eastlake Audio в журнальном интервью сказал, что теперь он считает hi-fi промышленность впереди студийной в инновации и исследовательской деятельности. И мне ничего не остается, как согласиться! Коммерческая звукозаписывающая промышленность не вложила существенных инвестиционных обновлений в свой главный инструмент. Бессмысленно было бы сравнивать напрямую миры студийного мониторинга и бытовой звуковой аппаратуры, поскольку требования все-таки различны: при создании домашних систем никто не задается целью воспроизвести звук бас-гитары на уровне 115 дБ или концентрированный в высоком регистре мощный звук соло-синтезатора. Для студийной промышленности же нереально производить системы, которые бы по всем параметрам подражали широкому спектру «правильных» качеств, принятых в мире hi-fi. Но вспомним, что исторически именно студийные системы считались наивысшим стандартом и образцом. Вот в чем заслуга домашнего аудио с его достижениями – оно наделило людей более критическим взглядом и осведомленностью о том, что и как они слушают. Так что требования к точному мониторингу сейчас более высоки, чем когда-либо ранее.
Правильно сконструированный среднечастотный или высокочастотный рупор, если он так же правильно и аккуратно используется, на частотах выше 1 кГц сулит значительное повышение точности мониторинга. В противовес популярному мнению замечу, что чистота домашнего воспроизведения в этом диапазоне не является исключительной территорией прямых излучателей. Новое поколение рупоров – это сила, с которой придется считаться!