Розуміння конструкції акустичних систем: вичерпний посібник

Конструкція акустичних систем – це складна та захоплива сфера, яка поєднує елементи фізики, акустики та електротехніки для створення пристроїв, що відтворюють звук. Цей посібник містить вичерпний огляд ключових концепцій і міркувань, пов’язаних із проєктуванням акустичних систем, що підходить як для початківців, так і для досвідчених аудіофілів у всьому світі.

Фундаментальні принципи

Основи відтворення звуку

Акустичні системи працюють, перетворюючи електричні сигнали на механічні вібрації, які потім поширюються в повітрі як звукові хвилі. Основним компонентом, відповідальним за це перетворення, є динамік. Розуміння того, як працюють динаміки, має вирішальне значення для розуміння конструкції акустичних систем.

Типи динаміків

Різні типи динаміків призначені для відтворення різних частотних діапазонів:

• Низькочастотні динаміки: відповідають за низькі частоти (бас). Зазвичай мають більший діаметр.
• Середньочастотні динаміки: відтворюють середні частоти, що мають вирішальне значення для чіткості вокалу.
• Високочастотні динаміки: обробляють високі частоти, відповідають за чіткість і деталізацію.
• Сабвуфери: призначені для дуже низьких частот (суббас).
• Широкосмугові динаміки: намагаються відтворити весь чутний частотний спектр за допомогою одного динаміка. Часто використовуються в портативних пристроях і невеликих акустичних системах, де простота є першорядною, але рідко досягають продуктивності багатосмугових систем.

Вибір відповідних динаміків є важливим першим кроком у проєктуванні акустичної системи. Слід ретельно враховувати такі параметри, як частотна характеристика, чутливість і потужність.

Параметри Тіля-Смолла

Параметри Тіля-Смолла (T/S) — це набір електромеханічних параметрів, які характеризують поведінку динаміка. Ці параметри необхідні для проєктування корпусів, які оптимізують продуктивність динаміка. Ключові параметри T/S включають:

• Fs (Резонансна частота): частота, на якій динамік вібрує найлегше.
• Vas (Еквівалентний об’єм): об’єм повітря, який має таку ж податливість, як і підвіс динаміка.
• Qts (Загальний коефіцієнт добротності): міра демпфування динаміка.
• Qes (Електричний коефіцієнт добротності): міра електричного демпфування.
• Qms (Механічний коефіцієнт добротності): міра механічного демпфування.
• Sd (Ефективна площа поршня): площа конуса динаміка, яка випромінює звук.
• Xmax (Максимальний лінійний хід): максимальна відстань, на яку конус динаміка може рухатися лінійно.

Програмні інструменти, як-от WinISD і BassBox Pro, широко використовуються для моделювання продуктивності динаміка на основі параметрів T/S і конструкцій корпусу. Ці інструменти можуть передбачити частотну характеристику, імпеданс та інші важливі характеристики. Ці інструменти дають змогу побачити, як різні конструкції корпусу та вибір динаміків впливають один на одного.

Конструкція корпусу

Роль корпусу

Корпус (коробка, в якій розміщено динамік) відіграє вирішальну роль у продуктивності акустичної системи. Він запобігає скасуванню звукових хвиль, вироблених задньою частиною динаміка, звуковими хвилями, виробленими передньою частиною, а також впливає на резонансну частоту та демпфування динаміка. Різні конструкції корпусу пропонують різні компроміси з точки зору частотної характеристики, ефективності та розміру.

Типи корпусів

• Герметичні корпуси: найпростіша конструкція, пропонує хорошу перехідну характеристику та відносно рівну частотну характеристику. Зазвичай потребують потужніших підсилювачів для досягнення тієї ж басової потужності, що й корпуси з фазоінвертором.
• Корпуси з фазоінвертором (Bass Reflex): використовують порт (отвір) для резонування повітря всередині корпусу, розширюючи низькочастотну характеристику. Потребує ретельного налаштування, щоб уникнути небажаних резонансів.
• Корпуси з пасивним випромінювачем: використовують пасивний випромінювач (динамік без двигуна) замість порту. Пропонують подібні переваги корпусам з фазоінвертором, але можуть бути більш компактними та уникати шуму порту.
• Корпуси з трансмісійною лінією: більш складна конструкція, яка використовує довгий, складений канал для розширення низькочастотної характеристики. Може бути важко проєктувати та правильно будувати.
• Корпуси з відкритою панеллю: динаміки встановлюються на плоскій панелі без корпусу. Пропонує дуже природний звук, але має обмежену басову характеристику через акустичне скасування.

Вибір правильного типу корпусу залежить від бажаних звукових характеристик, параметрів T/S динаміка та доступного простору. Наприклад, невелика полична акустична система може використовувати герметичний корпус або корпус з фазоінвертором, тоді як сабвуфер може використовувати корпус з фазоінвертором або пасивним випромінювачем.

Конструкція корпусу

Матеріали та методи конструювання, які використовуються для створення корпусу, також впливають на продуктивність акустичної системи. Жорсткі, щільні матеріали, такі як МДФ (Деревноволокниста плита середньої щільності), є кращими для мінімізації вібрацій і резонансів. Можна додати розпірки, щоб ще більше зміцнити корпус і зменшити небажані вібрації. Внутрішню частину корпусу часто обкладають демпфувальним матеріалом (наприклад, скловолокном, акустичною піною), щоб поглинати звукові хвилі та зменшити внутрішні відбиття.

Конструкція кросовера

Призначення кросоверів

У багатосмугових акустичних системах (системах з окремими низькочастотними, середньочастотними та високочастотними динаміками) кросовер використовується для поділу аудіосигналу на різні частотні діапазони, надсилаючи кожен діапазон до відповідного динаміка. Це гарантує, що кожен динамік працює в межах свого оптимального частотного діапазону та запобігає їх пошкодженню частотами, для обробки яких вони не призначені.

Типи кросоверів

• Пасивні кросовери: складаються з пасивних компонентів (резисторів, конденсаторів та індукторів), які розміщуються між підсилювачем і динаміками. Їх легко реалізувати, але вони можуть спричинити втрати вставки та мають обмежену гнучкість.
• Активні кросовери: використовують активні електронні схеми (наприклад, операційні підсилювачі) для поділу аудіосигналу до того, як він досягне підсилювачів. Пропонують більшу гнучкість і контроль, але потребують окремих підсилювачів для кожного динаміка.
• Кросовери цифрової обробки сигналів (DSP): використовують цифрову обробку сигналів для реалізації функцій кросовера. Пропонують найбільшу гнучкість і контроль, що дозволяє використовувати складну фільтрацію та еквалізацію.

Порядок і нахил кросовера

Порядок кросовера відноситься до швидкості, з якою сигнал послаблюється за межами смуги пропускання (частотного діапазону, який динамік має відтворювати). Кросовери вищого порядку пропонують крутіші нахили, забезпечуючи кращу ізоляцію між динаміками, але також можуть спричинити фазові спотворення. Загальні порядки кросовера включають:

• Перший порядок: ослаблення 6 дБ/октава. Простий, але пропонує погану ізоляцію.
• Другий порядок: ослаблення 12 дБ/октава. Хороший компроміс між простотою та продуктивністю.
• Третій порядок: ослаблення 18 дБ/октава. Пропонує кращу ізоляцію, але може спричинити більше фазових спотворень.
• Четвертий порядок: ослаблення 24 дБ/октава. Забезпечує чудову ізоляцію, але є більш складним і може спричинити значні фазові спотворення.

Вибір частоти кросовера

Частоту кросовера (частоту, на якій сигнал ділиться між динаміками) слід вибирати ретельно, щоб забезпечити плавну інтеграцію між динаміками. Фактори, які слід враховувати, включають частотну характеристику динаміків, характеристики дисперсії та можливості обробки потужності. Як правило, частоту кросовера вибирають там, де частотні характеристики динаміків перекриваються.

Акустичні міркування

Частотна характеристика

Частотна характеристика акустичної системи відноситься до її здатності відтворювати різні частоти на однакових рівнях. Зазвичай бажана рівна частотна характеристика, оскільки це вказує на те, що акустична система точно відтворює оригінальний аудіосигнал. Однак деякі акустичні системи можуть бути розроблені з урахуванням певної частотної характеристики, наприклад, ті, що призначені для музики з важкими басами.

Дисперсія

Дисперсія відноситься до того, як звук випромінюється з акустичної системи в різних напрямках. Широка дисперсія зазвичай бажана для створення ширшої звукової сцени та більш захоплюючого враження від прослуховування. Однак контрольована дисперсія може бути корисною в певних програмах, наприклад, у системах звукопідсилення, де важливо мінімізувати відбиття та зворотний зв’язок.

Імпеданс

Імпеданс — це електричний опір акустичної системи потоку змінного струму. Акустичні системи зазвичай розраховані на 4 Ом, 8 Ом або 16 Ом. Важливо узгодити імпеданс акустичних систем з вихідним імпедансом підсилювача, щоб забезпечити належну передачу потужності та запобігти пошкодженню підсилювача або акустичних систем. Імпеданс також змінюється з частотою, і підсилювачам може бути складніше керувати акустичними системами з великими коливаннями імпедансу.

Загальні гармонійні спотворення (THD)

THD — це міра спотворень, внесених акустичною системою. Він виражається у відсотках від загального сигналу. Нижчі значення THD вказують на менші спотворення та кращу якість звуку. THD, як правило, вищий на низьких частотах і високих рівнях потужності.

Акустика приміщення

Акустика кімнати для прослуховування може мати значний вплив на сприйняту якість звуку акустичних систем. Відбиття, резонанси та стоячі хвилі можуть впливати на частотну характеристику та звукову сцену. Для покращення акустики кімнати та покращення враження від прослуховування можна використовувати обробку приміщення, наприклад, акустичні панелі та басові пастки. Навіть розміщення меблів і наявність килимів і штор можуть впливати на акустику кімнати.

Практичні приклади та тематичні дослідження

DIY проєкти акустичних систем

Проєктування та створення власних акустичних систем може бути корисним досвідом. Існує багато онлайн-ресурсів і спільнот, присвячених створенню акустичних систем своїми руками. Проєкти варіюються від простих поличних акустичних систем до складних багатосмугових систем. Такі компанії, як Parts Express і Madisound, пропонують широкий вибір динаміків, компонентів і наборів для DIY проєктів акустичних систем. DIY акустичні системи дають змогу налаштувати дизайн і звук відповідно до ваших конкретних уподобань.

Комерційні конструкції акустичних систем

Аналіз комерційних конструкцій акустичних систем може надати цінну інформацію про процес проєктування. Розгляньте конструктивні рішення, прийняті такими виробниками, як Bowers & Wilkins, KEF і Focal. Ці компанії використовують передові технології та матеріали для досягнення високого рівня продуктивності. Вивчення їхніх топологій кросовера, конструкцій корпусу та вибору динаміків може бути дуже інформативним.

Конструкція студійних моніторів

Студійні монітори розроблені для критичного прослуховування та точного відтворення звуку. Вони зазвичай мають рівну частотну характеристику, низькі спотворення та широку дисперсію. Такі компанії, як Genelec, Neumann і Adam Audio, спеціалізуються на проєктуванні студійних моніторів. Їхні акустичні системи використовуються в звукозаписних студіях по всьому світу. Розуміння принципів конструкції студійних моніторів може бути корисним для проєктування домашніх акустичних систем.

Передові техніки

Компенсація бафл-степу

Компенсація бафл-степу — це техніка, яка використовується для компенсації зміни імпедансу випромінювання, яка виникає, коли динамік переходить від випромінювання в повну сферу (4π стерадіан) до випромінювання в півсферу (2π стерадіан) зі зменшенням частоти. Це може спричинити провал у частотній характеристиці на частоті бафл-степу. Компенсацію бафл-степу можна реалізувати за допомогою пасивних або активних фільтрів.

Вирівнювання за часом

Вирівнювання за часом відноситься до вирівнювання часу прибуття звукових хвиль від різних динаміків у положенні прослуховування. Це може покращити зображення та звукову сцену. Вирівнювання за часом можна досягти, фізично розташувавши динаміки на різній глибині або за допомогою електронних схем затримки.

Акустична лінза

Акустична лінза — це пристрій, який використовується для керування дисперсією звукових хвиль. Його можна використовувати для розширення дисперсії високочастотного динаміка або для фокусування звукових хвиль у певному напрямку. Акустичні лінзи часто використовуються в конструкціях акустичних систем високого класу.

Аналіз кінцевих елементів (FEA)

FEA — це числовий метод, який використовується для моделювання поведінки складних систем, таких як акустичні системи. FEA можна використовувати для оптимізації конструкції корпусу, динаміка та кросовера. Пакети програмного забезпечення FEA, такі як COMSOL і ANSYS, використовуються конструкторами акустичних систем для прогнозування продуктивності їхніх конструкцій до їх створення.

Висновок

Конструкція акустичних систем — це багатогранна дисципліна, яка вимагає поєднання теоретичних знань і практичних навичок. Розуміючи основні принципи, типи корпусів, конструкцію кросовера та акустичні міркування, викладені в цьому посібнику, ви можете глибше оцінити мистецтво та науку конструювання акустичних систем. Незалежно від того, чи є ви досвідченим аудіофілом, ентузіастом DIY, чи просто цікавитеся, як працюють акустичні системи, ці знання дадуть вам змогу приймати обґрунтовані рішення та покращити свій аудіодосвід. Світ конструювання акустичних систем постійно розвивається, з’являються нові матеріали, технології та методи. Постійне навчання та експерименти є ключем до того, щоб залишатися в авангарді цієї захопливої галузі.

Пам’ятайте, що завжди слід надавати пріоритет безпеці під час роботи з електричними компонентами та електроінструментами. Зверніться до досвідчених фахівців, якщо ви не впевнені в будь-якому аспекті конструювання або створення акустичної системи.