Это четвертая статья серии о том, почему акустика, которая хорошо измеряется, может плохо звучать
В первой статье выяснилось то, что АЧХ суммирует всю поступившую энергию независимо от времени её прихода. Во второй — что помещение добавляет к звуку большое количество отраженных копий и резонансов, с которыми надо научиться дружить. В третьей — что качество воспроизведения низких частот сухие цифры характеристик не отражают.
Первые три статьи рассматривали вопросы, находящиеся за пределами самих динамиков: измерительную методику, влияние комнаты, особенности конструкции корпуса. Все они были решены одна за другой: я переставил мебель, заглушил порт, использовал только действительно работающие цифровые фильтры. Теперь же обсудим ситуацию, когда проблема рождается на этапе создания ещё до выпуска модели на рынок и устранить её впоследствии невозможно.
В этой статье я хочу рассмотреть конструктивные решения, влияющие на звук, показать, почему эквализация здесь неэффективна, и подсказать как прогнозировать последствия таких решений исходя из общедоступной информации.
Что-то не так в середине
Проблема с басом успешно решена: порт заглушен, корпус превратился в закрытый, коррекция минимизирована теми областями, где результатом можно управлять, низкие частоты стали чёткими и сухими, акустика вновь заняла своё место у стены, где плавный спад удачно совпал с эффектом усиления от граничных поверхностей. Однако неприятные призвуки в средней и верхней частях спектра, которые ранее я приписывал влиянию помещения, сохранились.
Признаки были стабильными и конкретными. Где-то в верхней середине начинался участок, который звенел у меня в ушах, и у этого участка была отчётливо слышимая нижняя граница. Ниже неё звучание оставалось нормальным, однако начиная с определённой ноты появлялись неприятные ощущения, причём всегда на одних и тех же частотах. Из-за этого вместо отдыха от повседневного шума я проводил время, внимательно прислушиваясь к недостаткам воспроизведения. Итогом становились напрасно потраченное время, повышенная усталость и выход из комнаты раздражённым.
При этом АЧХ в точке прослушивания оставалась вполне приемлемой. Уже знакомый нам разрыв между объективными показателями и субъективным восприятием проявлялся вновь, но на сей раз источником была не комната и не корпус, поэтому пришлось искать дальше.
Самое интересное заключалось в следующем: если дискомфорт возникает с конкретной ноты, значит, в системе происходит изменение именно на данной частоте. Помещение не способно создать подобный эффект, его резонансы и отражения рассыпаны по всему диапазону. Аналогично ведёт себя и корпус. Остаётся сам динамик, и далее речь пойдёт исключительно о нём – о поиске подобных изменений и объяснении, почему они возникают именно там, где возникают.
Поршневой режим
Существует идеальный режим работы диффузора, известный как “поршневой режим”. В нижнем диапазоне частот конус перемещается синхронно и целостно, без деформаций. Его поверхность действует согласованно, обеспечивая предсказуемый отклик без дополнительных артефактов. При этом в данной статье сделано намеренное допущение об идеальности магнитной системы, поэтому все, что будет здесь обсуждаться, касается только линейной части проблемы динамиков, а вторую, нелинейную, мы разберем чуть позже.
Однако существуют две точки, с которых динамик даже с идеальной магнитной системой перестает быть идеальным, и вызваны они совершенно различными физическими эффектами со своими последствиями.
Первая точка связана с внутренними свойствами конструкции. Любой конус представляет собой пластину, по которой распространяются собственные изгибные волны. Когда частота низкая, эти волны воспринимают конус как жесткую структуру, движущуюся как единое целое. Однако при достижении определенного значения частоты половина изгибной волны соответствует размеру конуса, отдельные участки начинают вибрировать с разной амплитудой и фазой, создавая множество отдельных источников излучения. Этот процесс известен как “break-up” (“переход в модальный режим”). Для простой круглой пластины частота первой изгибной моды растёт пропорционально толщине и корню из удельной жёсткости материала (модуль упругости, делённый на плотность) и уменьшается на квадрат диаметра. То есть задают её конструкция и материал.
Вторая точка обусловлена внешней геометрией. Независимо от степени жёсткости, идеально жёсткий поршень перестает эффективно распространять звук во всех направлениях, когда длина воздушной волны приближается к диаметру диффузора. Звук собирается вперёд, формируя узконаправленный луч. Здесь играет роль лишь соотношение размеров диффузора и длины волны, никакие другие факторы не влияют.
Различие между этими факторами существенно важнее, чем кажется на первый взгляд. Конструкция и материал позволяют сдвинуть переход в модальный режим вверх: использование алюминия или керамики вместо бумаги, модификация профиля, увеличение жёсткости могут поднять эту частоту на целую октаву или даже две. Напротив, ограничение угла направленности обусловлено чисто геометрическими соображениями и не зависит от свойств материала. Например, диффузор диаметром 13,5 см физически неспособен обеспечить широкое распространение звука на частоте 3 кГц. Первую проблему можно решить путём выбора подходящего материала. Со второй придётся смириться, и принимать конструкторские решения в соответствии с тем, куда мы хотим прийти.
Например маленький диффузор не получается взять, если нужен бас. Громкость на низких частотах берётся объёмом вытесненного воздуха, то есть площадью диффузора, помноженной на ход. Требования к ходу растут очень быстро: в третьей статье мы считали, что каждая октава вниз требует вчетверо большего хода. Значит, за басом приходится идти в площадь, то есть в диаметр, а большой диаметр приносит с собой рано сужающуюся направленность. Именно эта арифметика и целевая направленность системы диктует разделение полос в акустической системе.
Жёсткость и звон
Материал, сдвигающий частоту модального режима вверх, заодно задаёт характер возникающих призвуков. За этот характер отвечает добротность конуса на частоте первой моды. Сначала центральная и периферийная зоны конуса теряют синхронность, потом приходит настоящий резонанс, а ещё выше возникают следующие моды, разбивающие поверхность на всё больше сегментов. Так что событие это не одиночное.
Различие материалов велико. У металлов и керамики высокая удельная жёсткость сочетается с ничтожными внутренними потерями энергии. Резонанс получается ярким и чётким. У бумаги и полимеров потери велики, зато они мягче сопротивляются деформации. Поэтому модальный режим начинается раньше и захватывает широкий диапазон частот, распространяясь плавно и постепенно. Получается выбор: можно взять жёсткость и получить позднюю первую моду, но с мощным и долгим резонансом. Или выбрать демпфирование, тогда мода придёт рано, но будет мягкой и менее заметной. Например, бумага с пропиткой теряет часть жёсткости, приобретая внутренние потери, а композит из полипропилена с графитовыми волокнами наоборот: волокна дают ему жёсткость, а полимер — демпфирование. Но правило остаётся неизменным: приходится выбирать характер призвука, потому что отсутствия призвука в меню нет.
Восприятие этих эффектов тоже разное. Добротность влияет не только на форму резонансного пика, но и на время, необходимое для полного исчезновения сигнала. Высокодобротный резонанс даёт длинный хвост: конус звучит сам по себе даже после прекращения основного тона, создавая дополнительный призвук, никак не связанный с музыкальной партией. Низкодобротный резонанс пропадает почти мгновенно, воспринимаясь скорее как окраска звука конкретного инструмента. Здесь вступает в силу связь уровня и затухания, которую мы уже обсуждали во второй статье: у минимально-фазовых систем эти параметры всегда идут рука об руку.
Что делают инженеры? Самый надёжный способ — исключить использование динамика в модальном режиме, применяя фильтр высокого порядка, гарантированно подавляющий возбуждение резонанса в рабочей области. Оговорюсь, что полностью устранить возбуждение этим методом довольно непросто: резонанс может возникнуть под действием сигналов, порождённых самим динамиком на более низких частотах. Именно поэтому рабочая область динамика и частота его первой моды — две совершенно разные величины, и последнюю вы никогда не найдёте в спецификациях.
А теперь вспомним первую статью. На примерах базовых расчётов я показал, как в модальную область попадают вторая и третья гармоники нот, расположенных гораздо ниже основной границы рабочей области. Тогда же я пообещал рассмотреть собственные нелинейности подвеса и магнитной системы «в отдельной статье про динамики». Этот разговор отложился до следующей статьи, потому что речь о нелинейных искажениях пойдет именно там.
Признаки двух вариантов легко запомнить. Высокодобротный резонанс проявляется чётко: пока не дошёл до границы — никаких признаков, а перейдя границу, резко усиливается. Низкодобротный вариант ведёт себя иначе: переход плавный, эффект равномерный по всей полосе. Я слышу именно чёткую границу. Значит, подозрение падает на жёсткие материалы, и состав диффузора моих колонок становится вопросом, на который стоит обратить внимание.
Подвес и профиль
Подвес выполняет две функции. Первая — удерживать диффузор по периметру и гасить колебания его краёв, не давая изгибной волне вернуться обратно и образовать стоячую волну. От того, насколько успешно подвес справляется с этой задачей, напрямую зависит добротность модального режима. Вторая функция подвеса связана с уровнем нелинейных искажений динамика: его жёсткость неоднородна вдоль пути движения диффузора, особенно заметно это вблизи крайних положений. Но это зависит от уровня, и разбирать её опять же будем в следующей статье, про искажения.
Выбор материала подвеса похож на выбор материала диффузора: чем лучше демпфирует материал, тем больше масса и ниже чувствительность. Почти повсеместно используется резиновый полуролик за счёт своего эффективного подавления колебаний, но он тяжёлый и снижает чувствительность. Поролон гораздо легче и вносит меньше потерь, правда, живёт он лет десять. Наконец, пропитанный тканевый гофр выдерживает высокие мощности, но уступает двум другим материалам по эффективности демпфирования.
Профиль конуса работает в ту же копилку. Прямые, вогнутые, профилированные поверхности с разной толщиной влияют на распределение изгибных мод и взаимодействие с отражёнными волнами.
Спецификации динамиков дают пользователю минимум информации: диапазон воспроизводимых частот, чувствительность да электрическое сопротивление. Между тем сочетание материала, толщины, профиля, типа подвеса и того, стоит ли в центре колпачок или пуля, задаёт и направленность, и добротность модального режима, и характер звучания. Способов собрать динамик миллион, и ни одно из последствий этих выборов в паспорт не попадает.
Лёгкий значит быстрый?
Признаюсь: моя ошибка началась с выбора ленточного твитера. Логика казалась безупречной: лёгкая мембрана должна быстрее двигаться, а значит точнее передавать атаку и лучше прорисовывать детали. Именно этим утверждением соблазняют производители лент и планаров, и я на это купился буквально — поверил и выложил деньги.
Но тут надо вспомнить главный принцип линейных систем: импульсный отклик и частотная характеристика несут одну и ту же информацию, просто выраженную разными способами. Благодаря преобразованию Фурье можно свободно переводить данные из одного формата в другой. Значит, динамики с одинаковой передаточной функцией дадут один и тот же импульсный отклик вне зависимости от веса мембраны. Быстрота целиком сидит в кривой, никаких независимых параметров типа скорости сверху не накладывается.
Почему же в это продолжают верить? Верхний предел воспроизводимых частот. Дело вот в чём: материалы, которые действительно поднимают верхнюю границу, почти всегда оказываются лёгкими, поэтому заслугу приписывают массе. На деле границу задаёт начало модального режима, а его определяет отношение жёсткости к плотности. Бериллий и алмаз играют высоко потому, что они лёгкие и очень жёсткие одновременно.
Что же меняется на самом деле, когда уменьшается масса мембраны? Речь сейчас пойдёт про конусы и купола, лента живёт по другим законам и к ней мы ещё вернёмся. Во-первых, частота начала модального режима: взяв менее плотный материал той же жёсткости, мы снижаем массу и одновременно поднимаем удельную жёсткость, так что первая мода уезжает вверх. Сам по себе эпитет «лёгкий» ничего не говорит заранее. Во-вторых, собственный резонанс: он обратно пропорционален квадратному корню из массы, значит, лёгкий купол резонирует выше и следовательно его нижняя граница применения также выше. Наконец, чувствительность: при том же моторе она с уменьшением массы возрастает.
Часто говорят, что повышенная чувствительность помогает передать атаку чётче. Тут кроется крупица истины, но работает всё несколько иначе. Колонка с высокой чувствительностью потребляет меньше энергии для достижения заданного уровня звукового давления, позволяя работать усилителю в более линейном режиме и снижая перегрев звуковой катушки, который ухудшает работу на пиках, но эти факторы зависят от громкости и заслуживают отдельного обсуждения. Атаку же определяет исключительно форма передаточной характеристики динамика.
Лента (включая планары) — особый случай, и многое в ней сложилось в мою пользу, только не по тем причинам, которые обещал производитель. Модального режима у неё нет вовсе, однако не из-за малого веса, а потому, что усилие прикладывается сразу ко всей площади мембраны, а верхняя граница воспроизводимых частот диктуется геометрией — вторым фактором предела идеальности динамика. Собственный резонанс у неё низкий за счет слабого натяжения, а её настоящий нижний предел — доступный ход и мощность. Две оси из трёх сыграли за меня. Тем обиднее, что я так и не задал себе главного вопроса: что лента делает с диаграммой направленности на стыке с основным динамиком?
Луч
Возвращаемся ко второму фактору – чистейшей геометрии. Пока длина волны превышает диаметр диффузора, динамик излучает звук равномерно во всех направлениях. С увеличением частоты длина волны уменьшается, и когда она достигает величины, сопоставимой с диаметром, излучение концентрируется вперёд, формируя узкий луч.
Этот момент наступает намного раньше, чем многие предполагают, и его легко вычислить. Удобная мера здесь — абстрактное ka, равное отношению периметра диффузора к длине волны. В своей работе о направленности Эрл Геддес приводит простую формулу: частота в герцах равна 5460·ka, поделённое на радиус диффузора в сантиметрах. Около ka=1 сужение только начинается, а выше ka=2 осевая и внеосевая кривые заметно расходятся: даже идеально жёсткий поршень на ka=2 отдаёт под углом 90° на 4,8 дБ меньше, чем на оси, а под 45° на 2,3 дБ. Это ощутимое расхождение, но ещё далеко не провал. Настоящий направленный луч, с глубокими нулями внутри угла ±90°, формируется лишь выше ka примерно 3,8, то есть для динамика диаметром 13,5 см — выше трёх килогерц. Тем не менее производители обычно стараются не использовать динамики выше ka=2, предпочитая избегать сильного расхождения осевого и внеосевого отклика.
Для наглядности рассмотрим пример. Стандартный шестидюймовый динамик с эффективным диаметром 13,5 см достигает значений ka = 1 на частоте 810 Гц и ka = 2 на 1620 Гц. Пятидюймовый динамик (10,5 см) покажет аналогичные значения соответственно на 1040 и 2080 Гц. Четырёхдюймовый (около 8,5 см) даст 1285 и 2570 Гц. Полученные цифры впечатляют, поскольку находятся значительно ниже общепринятых представлений о высоких частотах: большая часть средних частот уже излучается узким лучом.
А теперь перейдем к тому, что портит всю простоту этой картинки, так как сама по себе узость луча это не проблема, а лишь характеристика.
Диаграмма направленности
Узкая направленность источника в небольшом помещении скорее полезна, нежели вредна. Широкая направленность заставляет работать все ближайшие отражающие поверхности, погасить которые без превращения комнаты в безэховую камеру невозможно. Чем уже направленность, тем легче направить колонку мимо близко расположенных стен, сохранив дистанцию от них минимальной. Интервал между прямым сигналом и первыми отражениями оптимален при задержке около 20 мс, а это почти 7 метров дополнительного пути между источником, первой отражающей поверхностью и слушателем. В жилых комнатах реально достичь задержки порядка 10 мс, но для этого требуется избежать ранних боковых отражений. Простор в помещении ощущается благодаря отражениям сзади и сбоку от слушателя, а не за счёт рассеивания звука непосредственно от колонок. Во второй статье я высказывался в пользу узких и равномерных источников. Ключевое слово здесь — «равномерных».
Равномерность означает стабильную диаграмму направленности на всём рабочем участке спектра. Оценить это сложно, ведь осевой график не даёт представления о направленности, а набор кривых под разными углами недостаточен. Единственным инструментом, позволяющим увидеть всю картину целиком, служит диаграмма направленности, показывающая уровень в зависимости от частоты и угла наблюдения. Именно на таких картах начинают проявляться нюансы, невидимые на стандартных графиках.
И вот что она показывает: внизу диффузор излучает широко; приближаясь к частоте разделения, диаграмма резко сужается, достигнув критического значения ka. Тут вступает твитер, который тоже сначала широк, а потом постепенно сужается. Получается характерная “пила” — широкая полоса, затем узкая, опять широкая и снова узкая. Геддес пишет, что такую картину видно в каждой без исключения колонке, собранной на поршневых излучателях. То есть дело не в промахе отдельного производителя, а в свойстве самой схемы.
Глубина этого провала, однако, зависит от места стыка между низкими и высокими частотами. Если развести полосы на 2,5 кГц, то худшее отклонение под углом 45° составит всего лишь 2,6 дБ, а возврат после стыка будет порядка 1,2 дБ. Другая картина, когда тот же самый конус соединяется с ленточным твитером на частоте 3500 Гц: теперь провал достигает уже 5,0 дБ, а ступенька возврата около 2,4 дБ. Причина в том, что на этой частоте конус доходит до значения ka около 4,3. Таким образом, более высокая частота разделения почти вдвое увеличивает глубину внеосевого провала.
Причина появления этой структуры проста и понятна. Среднему шестидюймовому динамику необходимо завершить свою работу на уровне ka = 2, то есть примерно на 1620 Гц. Купольному твитеру размером в один дюйм требуется дождаться нескольких собственных резонансов прежде, чем начать эффективно воспроизводить звук, что происходит примерно на 2 кГц. Зона между 1,6 и 2 кГц оказывается проблемной, где оба компонента работают плохо. Индустрия решает эту проблему установкой разделительного фильтра на границе 2–3 кГц, фактически игнорируя саму зону дискомфорта. Добавление третьей полосы позволяет решить вопрос иначе: четырёхдюймовый среднечастотный динамик продолжает стабильно работать вплоть до 2570 Гц, открывая реальные возможности для смещения частот разделения.
Инженерам доступно мало инструментов управления направленностью, и любой выбор бьёт по бюджету. Один способ — переложить часть нагрузки на меньший драйвер, но тогда придётся ставить дополнительный динамик и усложнять кроссовер. Альтернатива — поменять геометрию излучения: допустим, установить в центре диффузора твёрдый элемент взамен пылезащитного колпачка. Эта деталь гасит резонанс внутри конуса и выравнивает пути распространения звука от разных частей мембраны, сдвигая эффективный источник высоких частот ближе к звуковой катушке. Кольцо излучает звук шире, чем диск такого же внешнего размера, но эффект невелик, доли октавы. Ещё один подход — поместить высокочастотный динамик внутрь волновода или рупора (что на самом деле одно и то же — волновод это подвид рупора). Казалось бы, нелогично: волновод делает диаграмму твитера уже. Но фокус в том, что сужает он её лишь в нижней части спектра, где основной динамик уже сам превратился в узкий луч. На границе двух зон диаграммы наконец-то сходятся, плюс мембрана получает дополнительную нагрузку, повышая чувствительность системы. Правда, волновод привносит свои резонансы и заставляет более внимательно учитывать влияние фронтальной панели.
Волноводы сейчас — наиболее популярный ответ отрасли на проблему согласования направленности. Ширина итоговой диаграммы при этом может быть очень разной. Например, типичная современная конструкция выглядит так: шестидюймовый низкочастотный динамик сочетается с небольшим куполом в волноводе, частота разделения составляет порядка 2,5 кГц (примерно такой дизайн реализован в системах Buchardt). Итоговая диаграмма получается умеренной ширины, зато стабильна и предсказуема. Другая крайность — собственный проект Геддеса под названием NS15: пятнадцатидюймовый бас и крупный рупор с частотой разделения около 1 кГц. Здесь ka уже прошло двойку на килогерце (при эффективном диаметре около 32 сантиметров значение ka=2 достигается приблизительно на частоте 680 Гц), следовательно, и волновод, и низкочастотный динамик становятся направленными одновременно. Выше частоты разделения направленность остаётся постоянной. Именно эту нижнюю границу около 800 Гц Геддес считал достижимым ориентиром для систем нормального размера.
Есть ещё два подхода. Во-первых, дипольная конфигурация: например Linkwitz LX521 с четырьмя отдельными полосами уверенно удерживает восьмерку практически на всех частотах, и такое решение вообще игнорирует боковые поверхности помещения. Во-вторых, всенаправленные конструкции, которые Геддес критикует за непригодность в небольших комнатах, хотя сама концепция вполне имеет право на существование: здесь расчёт строится на отражённом звуковом поле, которое по спектральному составу идентично прямому сигналу.
В итоге основное требование к акустической системе сформулировать просто: диаграмма должна оставаться гладкой. Её абсолютная ширина остается вопросом предпочтений: стабильность возможна и на двадцатиградусном луче, и на широком секторе в девяносто градусов. Однако отсюда вытекает важный вывод: показатель preference rating из CTA-2034, рассчитываемый исключительно по плавности кривых, принципиально неспособен отразить разнообразие возможных решений.
Электронная коррекция не способна решить подобные задачи. Любые линейные проблемы, возникающие до перехода в акустический домен, исправляются электроникой сразу во всех направлениях. Проблемы, появившиеся уже в акустическом домене, корректируются только в одной точке пространства, будь то дефект комнаты или недостаток колонки.
Создать равномерно направленную систему дорого. Геддес утверждает, что оптимальный диапазон сужения диаграммы находится между 200 Гц и 1 кГц, обеспечивая стабильность выше этой точки, так как на частоте 1 кГц ухо наиболее чувствительно к отражённым звукам и временным характеристикам сигнала. Размеры и стоимость возрастают примерно в четыре раза на каждую дополнительную октаву контроля направленности вниз. Большинство рационально спроектированных систем обеспечивают стабильность до 800 Гц, самые большие и дорогостоящие пассивные системы — до 500 Гц, современные активные кардиоиды до 200 Гц. Производитель выбирает компромисс между частотой и стоимостью заранее.
Посмотреть на поведение колонок до покупки можно теми же инструментами, которыми пользовались во второй статье: спинорама по стандарту CTA-2034 показывает внеосевые характеристики, демонстрируя, где диаграмма начинает сужаться. Если доступна полная диаграмма направленности, изучите её на предмет наличия «пилы» и перекоса линий. Осевая кривая, семейство внеосевых, рассчитанный отклик в помещении и показатель направленности дают полезную информацию. Однако сводить всё разнообразие данных к единственной цифре preference rating и использовать её для сравнения колонок нежелательно. Итоговая оценка отражает усредненное мнение контрольной группы и прогнозируется исходя из плавности и ровности графиков, а также глубины нижнего регистра. При этом модель не учитывает искажения, динамику и способность пары колонок создавать чёткий стерео образ. Поэтому preference rating годится как индикатор качества кривых, но не подходит для окончательного выбора подходящей акустики.
Кто как обходит предел
Практически любая технология излучателя направлена на преодоление либо модального режима, либо изменения направленности. Рассмотрим кратко распространённые типы, поскольку их названия регулярно встречаются в обзорах, а принципы действия едины.
Широкополосные динамики остаются единственной схемой, где стыка в полосе присутствия нет вообще. Добиваются этого двумя разными способами.
Первый способ — взять маленький. Например, четырёхдюймовый Fostex FF105WK уверенно воспроизводит высокие частоты благодаря своей малой апертуре: значение ka=1 достигается около 1285 Гц. Измерения показывают, что кривая под углом 30° держится в пределах примерно трёх децибел от осевой до 6,4 кГц, а в пределах шести децибел — до 11,5 кГц. По точкам: на 5 кГц это 1,1 дБ, на 7 кГц 3,6 дБ, на 10 кГц всего 3,2 дБ. До десяти килогерц он держится, и лишь дальше сдаётся. Однако за это приходится расплачиваться ограниченным басом и уровнем громкости.
Второй способ — визер, небольшой дополнительный конус в центре основного диффузора. Визер имеет репутацию источника резкого и неравномерного звука, но эта характеристика справедлива далеко не всегда. Старый Lorenz S888 демонстрирует хорошие результаты: его внеосевые кривые заметно ровнее, чем принято ожидать. Зачастую проблема кроется скорее в качестве исполнения визера, нежели в самом принципе его использования.
Сравнивать при этом надо не абсолютную гладкость кривых, а разницу между углами и то, где направленность начинает сужаться. Оба широкополосника держат направленность примерно на октаву выше, чем позволил бы жёсткий поршень их диаметра. По трём децибелам Fostex держится до 6,4 кГц против 4,1 кГц у жёсткого поршня диаметром 8,5 см, а Lorenz до 2,9 кГц против 2,1 кГц у поршня своего размера: примерно половина октавы у обоих. По шести децибелам выигрыш вырастает до октавы с лишним — Fostex дотягивает до 11,5 кГц против 5,6 кГц у поршня, Lorenz до 6,4 кГц против 2,8 кГц.
Почему так происходит? Дело в том, что эффективная излучающая площадь с частотой уменьшается. У Fostex сам конус в модальном режиме перестаёт быть синфазным целиком, и излучает уже только его центральная часть. У Lorenz за верх осознанно берётся визер. Маленький Fostex держит направленность до десяти килогерц, а вдвое больший по диаметру Lorenz — примерно до шести, и при этом Lorenz играет бас, которого у Fostex нет. Оба выигрывают у поршня своего размера около октавы, и по схожей причине.
Однако слабые края рабочего диапазона остаются общей проблемой, а у визерных вариантов добавляется также вопрос качества стыковки между основным диффузором и визером, так что ШП это не приговор, но нюансы реализации очень важны.
Коаксиальные динамики: устраняют пространственный разнос между элементами, размещая твитер прямо в центре конуса, тем самым приближаясь к идеалу точечного источника. Хотя эта архитектура частично решает проблемы кроссоверов и фазовых сдвигов, она не устраняет необходимость фильтрации и согласования элементов. Более того, возникают новые сложности: конус действует как волновод для твитера, улучшая направленную характеристику, однако одновременно происходит модуляционное воздействие движения конуса на звук твитера.
Компрессионные драйверы с рупором: обеспечивают контроль над направленностью сигнала на всём диапазоне воспроизводимых частот, обладают высокой чувствительностью и значительным запасом по громкости. Недостатком являются собственные окрасы и резонансы рупора, а так же размер (тот же NS15 использует восемнадцати дюймовый рупор).
Ленточные, планарные и электростатические излучатели: свободны от модального режима благодаря тому, что сила прикладывается ко всей поверхности мембраны одновременно. Тем не менее, их диаграмма направленности несимметрична: они излучают широко по горизонтали и узко по вертикали. Кроме того, большие панели работают как диполи, что приводит к снижению уровня низких частот и общей чувствительности.
BMR (Balanced Mode Radiator): применяет систему сбалансированных грузов на задней части плоской мембраны, создавая управляемые моды колебаний вместо случайных деформаций. Эта технология превращает врага в друга: моды становятся контролируемым процессом, обеспечивающим широкую диаграмму направленности вплоть до самых высоких частот. Однако ограничения технологии очевидны: плоская мембрана не предназначена для линейного хода, что отражается на глубине баса и максимальном уровне громкости. Наверное самый проработанный на текущий момент представитель этого семейства это Manger MSW, но даже его производитель использует только с 330 Гц.
Из этого можно сделать простой вывод: ни один тип излучателей не может считаться однозначно лучшим. Каждая технология выигрывает в одном месте и проигрывает в другом. Спрашивать, какой тип излучателя лучше, примерно так же осмысленно, как выяснять, какой инструмент в миксе главный.
Что стояло у меня
Теперь вернемся к моей собственной проблеме. Постепенное сужение луча не объясняет появление чёткой границы: процесс растягивается на несколько октав и не выделяет конкретной частоты. Резкая смена направленности на стыке, когда узкий конус уступает место широкому твитеру, формирует отчётливую границу по частоте. Проблема не в самом факте сужения, а в том, где именно оно происходит.
Разбирать абстрактные конструкции всегда легче, поэтому настало время взглянуть на ту, что стояла передо мной — тем более что именно она долго позволяла мне сваливать вину на акустику помещения.
Колонки Piega P5, выпускавшиеся с 1999 года. Две с половиной полосы, корпус с фазоинвертором, два конуса Vifa по 6,5 дюйма, ленточный твитер LDR II. Кроссовер четвёртого порядка, частота разделения около 3500 Гц.
Проверим первую гипотезу — возможные проблемы от модального режима. Материал конусов Vifa — бумажный, мягкий, с большими внутренними потерями. Такая комбинация даёт низкую добротность мод, отсутствие чёткого порога и плавное окрашивание всего спектра. Гипотеза о высокодобротных модах и звоне не подтверждается.
Теперь рассчитаем направленность излучения. Эффективный диаметр шестидюймового конуса составляет примерно 13,5 см. Принимая за основу данные предыдущих расчётов (ka = 1 на 810 Гц, ka = 2 на 1620 Гц), мы видим, что точка разделения установлена на частоте 3500 Гц, соответствующей ka ≈ 4,3 и длине волны 9,8 см, что меньше диаметра диафрагмы. Таким образом, верхний конус используется больше чем на октаву выше рекомендуемого предела, показывая узкую и неравномерную диаграмму, потому что выше частоты модального режима синхронно движутся лишь небольшие части его поверхности.
С другой стороны, на границе частот расположен ленточный твитер размером 2,6 × 4,1 см. Его горизонтальная ось достигает ka = 1 только на частоте около 4,2 кГц, значит, на частоте разделения (3,5 кГц) он ещё излучает практически всенаправленно. Итог такой: на частоте 3500 Гц узкий и неровный по диаграмме конус уступает место источнику, который равномерно наполняет пространство. Типичная картина, которую я описал раньше: скачок направленности почти в пять раз сосредоточен в одной точке спектра.
Дальше вступают материалы второй статьи. Звук, расходящийся вбок, отражается от стен и приходит обратно к уху, образуя отражённую компоненту звукового поля. Значит, структура отражённой составляющей выше 3,5 кГц резко меняется относительно структуры ниже этой частоты. Разрыв между ними происходит в области максимальной чувствительности слуха: стандарты ISO 226 (известные исторически как кривые Флетчера-Мансона) показывают пик восприятия именно в полосе 3–4 кГц, вызванный резонансом ушного канала. Представьте себе, если бы вы специально поместили единственную слабость своей системы прямо туда, куда слух обращает максимум внимания — получилось бы то же самое, что случилось у меня.
Справедливости ради отмечу, что инженеры Piega понимали проблему и пытались её решить. Ленточный твитер сделан жёстким и плиссированным, что обеспечивает ему поведение близкое к поршневому и сдвигает вниз минимальную границу применимости. Применён кроссовер четвёртого порядка с крутопадающими характеристиками. Но частота разделения осталась на уровне 3,5 кГц, сохраняя всю связанную с ней геометрическую картину.
Три статьи подряд я искал источник неприятностей в помещении и корпусе колонок. Оба фактора реально влияли на звук, и оба удалось устранить. Но оказалось что проблема, которая оставалась, была написана в характеристиках моей акустики с самого начала — просто я не знал, как правильно их читать.
Решено до нас
Честного чёрного ящика не вышло. Даже на этом этапе с допущениями оказалось, что динамик представляет собой совокупность инженерных компромиссов: профиль, материал, толщину, тип подвеса, диаметр и, самое важное, расположение границ рабочих диапазонов. Все эти параметры принимаются на этапе проектирования и не отражаются в официальных характеристиках.
Эта статья отличается от трёх предыдущих тем, что описанная здесь причина не устраняется после покупки. Методы диагностики и коррекции доступны пользователю, однако направленность – это чистая геометрия, и эквалайзер способен изменять лишь уровень сигнала, не затрагивая пространственных аспектов. Никакая коррекция ступеньку на стыке не уберёт, потому что поправите одну точку в комнате и испортите остальные. Первые три фактора можно скорректировать после покупки. Направленность определяется исключительно дизайном акустики.
Спецификация информирует нас лишь о количестве полос. Она умалчивает о положении границ относительно критического значения ka = 2 для каждого динамика, хотя именно от этого показателя зависит поведение в наиболее чувствительном участке спектра.
В итоге Piega были проданы, им на смену пришли четырёхполосные Infinity Renaissance 90 выпуска 1993 года. Разделительные частоты установлены на 200, 650 и 3000 Гц. Шестидюймовый мидбас покрывает диапазон от 200 до 650 Гц, замолкает ниже своих 810 Гц и сузиться просто не успевает. Среднечастотный диапазон передан планару, который держит от 650 Гц до 3 кГц, то есть всю полосу присутствия целиком. Твитер обрезан ниже обычной нормы, что подчеркнуто в технической документации Infinity: основной динамик должен завершать работу до начала образования узкого луча.
Четыре полосы против двух — самое неинтересное в этом сравнении. Решающим фактором стало точное позиционирование границ разделения.
Цифры делают разницу наглядной. У Piega на разделении в 3,5 кГц ka конуса доходит до 4,3, а у ленты на той же частоте всего 0,8: стороны разошлись более чем в пять раз. У Infinity на разделении в 3 кГц планар EMIM имеет ka около 1,2, а EMIT около 0,8: расхождение примерно в полтора раза. Стык согласован раза в три с половиной лучше, и вовсе не потому, что полос стало четыре. Просто EMIM на своей границе разделения ещё даже не добрался до ka=1: при ширине излучающей поверхности 4,5 см это происходит только на 2427 Гц.
В этот момент хочется написать, что я достиг аудио блаженства, но к сожалению чуда не произошло. Четко определяемая частота перехода к состоянию "плохо" ушла, но верхняя середина и выше по-прежнему доставляли реальный дискомфорт. Так что пришлось копать дальше и смотреть на систему шире, ведь это не только динамики, корпус и комната.
Следующая статья будет посвящена искажениям: что скрывается за понятием “грязный звук”, почему показатель THD 0,01% малоинформативен и как резонанс диффузора способен возбудиться от нот, расположенных значительно ниже его собственной частоты. Как обычно через две недели, а между статьями — рабочие заметки: вырезанные разделы, измерения, неудачи на стенде — в канале «Архитектура звука».
