Конструкции
   Громкоговоритель – важное звено любого электроакустического тракта, которое в не меньшей степени, чем УМЗЧ, определяет конечное качество звучания. Анализируя ситуацию с субъективной оценкой качества как готовых, так и самодельных АС, автор предлагает свой подход к созданию громкоговорителя редко используемого открытого акустического оформления.
   Малогабаритный открытый громкоговоритель
   А.И. Пахомов, г. Зерноград, Ростовская обл.
   В технике высококачественного звуковоспроизведения давно выделились два основных направления: совершенствование электрического тракта, главным образом УМЗЧ, и улучшение параметров акустических систем (АС). При достаточном количестве разработок в той и другой области в последнее время стали обращать внимание на их взаимодействие, а также на важность субъективной оценки качества (СОК) [1]. Отмечается, что в качестве критериев СОК необходимо учитывать следующие характеристики звука: 1) тембральная окраска: легкость, мягкость теплота или, наоборот, тяжесть, жесткость, металлический оттенок; 2) воспроизведение атаки: активная, четкая или вялая, рыхлая; 3) локализация источников сигнала: хорошая или плохая звуковая картина, стереопанорама; 4) микродинамика: хорошая детализация сигналов сложной формы с малым уровнем или плохая детализация аналогичных сигналов. Общий результат СОК – сильное или слабое эмоциональное воздействие на слушателя.
   Немалую лепту в достигаемый результат СОК вносит громкоговоритель. Уровень его собственных фазовых, нелинейных, частотных и других искажений способен многократно превышать значимые искажения УМЗЧ. При этом меры, затрагивающие электрическую часть УМЗЧ, можно рассматривать как направленные на компенсацию недостатков громкоговорителей. Изначально качественный громкоговоритель в них не нуждается, следовательно, его можно оценивать как самостоятельное звено электроакустического тракта.
   В настоящее время существует достаточно богатый рынок готовых акустических систем. В мультимедийной технике, DVD-проигрывателях, домашних кинотеатрах применяют многоканальные системы "окружающего" звука. Оценка подобных систем выходит за рамки настоящей статьи, замечу только, что создаваемые ими эффекты – дело вкуса, а активное продвижение на рынок в большей степени вызвано коммерческими интересами изготовителей. Пара широкополосных громкоговорителей создает более естественную звуковую картину, соответствующую расположению источников звука перед слушателем и, кроме того, имеет преимущества по условиям размещения в малых помещениях с учетом их акустики. Дополнительный эффект объемности при этом может быть получен как программными, так и техническими средствами [2]. В дальнейшем будут рассматриваться именно такие громкоговорители (АС).
   Несмотря на богатство выбора, приобретение готовых АС сопряжено с определенными трудностями. Торговый сервис, как правило, не предполагает возможности сравнительного прослушивания хотя бы нескольких аналогичных систем, вынуждая покупателя ориентироваться на внешнее оформление, фирму-изготовителя и, пожалуй, единственный известный параметр – шумовую мощность. Последующие испытания в домашних условиях часто выявляют все недостатки приобретенной АС, но "поезд уже ушел". Определенная часть аудиолюбителей поэтому предпочитает самостоятельное изготовление АС, ориентируясь на их описания в радиолюбительской литературе. Увы, и этот путь полон разочарований.
   Выбор конструкции для повторения начинается с оценки ее параметров. Характеристики самодельных АС, естественно, получены на одном-двух экземплярах, но даже в предположении их объективности, мало что говорят о реальном качестве звучания. Ситуация аналогична попыткам оценить УМЗЧ по традиционным характеристикам: гармоническим и интермодуляционным искажениям [3]. К слову сказать, рассматриваемые в [3] искажения амплитудной динамики транзисторных УМЗЧ присущи и электродинамическим головкам громкоговорителей, у которых перемещение катушки в поле постоянного магнита не пропорционально амплитуде сигнала, но где вы найдете подобные характеристики? Если авторы и приводят результаты СОК своих громкоговорителей, то здесь в ходу собственные определения и оценки, вплоть до самых экзотических. Вот, к примеру, такой пассаж: "…при воспроизведении звука прилетающего вертолета в альбоме "Стена" группы "Пинк Флойд" в комнате начинало вибрировать все, что только могло…" [4].
   Другой путь – самостоятельное проектирование АС "с нуля". При этом из-за множества факторов, влияющих на конечное качество звучания, также не удается смоделировать или рассчитать совершенную систему, полностью удовлетворяющую слушателя по всем критериям СОК. Риск получить совсем не то, что хотелось, достаточно велик. Таким образом, верным остается философский принцип: "практика – критерий истины", что, по сути, адекватно методу проб и ошибок. По этому принципу шли древние мастера-изготовители музыкальных инструментов, в общем-то идут и современные производители высококачественной аудиоаппаратуры, не отказываясь, конечно, от достижений научно-технического прогресса.
   Все дело в том, что подобный подход вряд ли приемлем для частного любителя, если речь не идет, конечно, об аудиофилии. Изготовление АС даже в одном экземпляре – дело далеко не простое, требующее столярных работ, специальных навыков и инструментов; одним паяльником здесь не обойдешься. На сегодняшний день большинство конструкций АС выполняется в виде закрытых ящиков, фазоинверторов, лабиринтов, затраты на изготовление которых велики. Что делать, если конечный результат потом не удовлетворяет, масса усилий и времени потрачена зря? Модернизации подобные акустические оформления практически не подлежат.
   Выход из положения, по мнению автора, заключается в отказе от сложных и часто не оправданных конструкций АС, использующих свойства замкнутого объема воздуха. Новое – это хорошо забытое старое. В звукотехнике давно известен и другой вид акустического оформления – так называемое открытое, которое по сей день широко применяется в телевизорах, магнитолах, радиоприемниках и прочей аппаратуре, где требования к качеству звука традиционно не слишком высоки. До недавнего времени считалось, что открытые АС не способны конкурировать с закрытыми ящиками, фазоинверторами, пассивными излучателями по качеству воспроизведения низких частот. Однако на сегодняшний день это уже не так очевидно.
   Вторым рождением открытое акустическое оформление обязано высококачественной автомобильной аудиотехнике. Использовать в автомобиле компрессионные динамические головки как встроенные оказалось весьма проблематичным по той причине, что двери, панели и другие элементы салона не являются замкнутым объемом с необходимой герметичностью и жесткостью стенок. В то же время они представляют собой практически готовый акустический экран. Для работы в таких условиях специально разработаны мощные автомобильные головки, состоящие из 2–6 коаксиально расположенных излучателей. Низкочастотное звено автоголовки имеет диффузор из высокопрочных материалов с легкой подвижной системой и мощным магнитом. Частота основного резонанса выше, чем у компрессионных, и лежит в пределах 40…80 Гц, добротность также превышает добротность последних. При этом развиваемое звуковое давление (характеристическая чувствительность) весьма велико. Спад на низких частотах, как и паразитные резонансы в автомобильных АС, компенсируют частотной коррекцией в предусилителях.
   Автоголовки – в значительной мере "готовые к употреблению" высококачественные системы и являются отличной альтернативой сложным многокомпонентным бытовым АС. В отличие от упомянутых акустических оформлений, они способны работать в открытых ящиках, где полностью реализуется их высокий КПД. Лучшие образцы автоголовок обеспечивают яркое звучание в области средних и высоких частот, четкую прорисовку звука высококачественными СЧ-ВЧ излучателями и, за счет этого, отличный стереоэффект. Эти качества, безусловно, относятся к упомянутым критериям СОК. Причем практически важно, что при покупке головок может быть реализована процедура СОК, так как их продавцы, как правило, предоставляют возможность сравнительного прослушивания и выбора.
   Из сказанного следует вывод о принципиальной возможности сборки простого и качественного бытового громкоговорителя на базе автоголовки и открытого ящика. С конструктивной точки зрения изготовить открытый ящик значительно проще, чем тщательно герметизированный закрытый (не говоря уже о рупорах, лабиринтах и т.п.), не нужны разделительные фильтры, имеющиеся в самой головке. Звучание будущей АС в области СЧ-ВЧ хорошо прогнозируется, так как почти полностью определяется качеством автоголовки, оцениваемым уже на этапе ее выбора и покупки. Остается главная проблема: как при малых размерах АС добиться сглаженного, без "бубнения" звучания на низких частотах?
   Обратимся к свойствам головки в открытом акустическом оформлении. Как известно, частота основного резонанса головки в открытом ящике не повышается. Тем не менее, размер ящика, главным образом по передней панели, существенно влияет на воспроизведение низких частот. Вследствие сложения звуковых волн, приходящих от прямой и обратной поверхности диффузора – акустического короткого замыкания, возникают интерференционные явления, приводящие к неравномерности результирующей АЧХ. Теоретически возможен акустический экран, полностью выравнивающий звуковое давление на низких и средних частотах. Для этого площадь передней панели S должна быть равна:
   S=0,125c2/(f02Q2),
   где с – скорость звука, м/с; f0 – резонансная частота головки, Гц; Q – добротность головки.
   Для бытовых АС расчетная площадь S оказывается слишком большой, на практике панель изготавливают гораздо меньших размеров. Платой за это являются искажения, заключающиеся в уменьшении звукового давления на низких частотах и появлении горба АЧХ на частотах, много больших f0. Хотя природа этого явления принципиально иная, чем для закрытого ящика, на практике оно приводит к тому же бубнению.
   Типичный вид АЧХ открытого ящика в зависимости от его размеров показан на рис.1 [5]. Из рисунка следует, что ящик даже значительных размеров создает бубнение на частоте 80 Гц (кривая 1). С уменьшением размеров ящика пик бубнения смещается в сторону более высоких частот с одновременным увеличением его высоты (кривые 2, 3). По этой причине распространенные в быту небольшие открытые АС бубнят на довольно высоких частотах 200…400 Гц. Кривые на рис.1 характерны для головки с собственной резонансной частотой 30 Гц; для менее качественных головок подъем в области бубнения может достигать 10…12 дБ.
   Из изложенного следует, что при прочих равных условиях открытые громкоговорители обеспечивают значительно худшую АЧХ по сравнению с другими примерами акустического оформления. Неизменное свойство открытого ящика – высокая частота бубнения – на практике усугубляется тем, что на этих частотах резонируют малые помещения и, кроме того, здесь согласно кривым равной громкости должен быть не подъем, а некоторый спад звукового давления. Все это приводит к барабанно-бубнящему звучанию малогабаритной открытой акустики, что, собственно, в свое время привело к отказу от этого вида акустического оформления в высококачественных системах.
   Скорректировать АЧХ открытой АС можно электронными средствами: в автомобильной технике для этого применяют параметрические эквалайзеры с регулируемой частотой и добротностью, динамические оптимизаторы баса и т.п. В стационарных бытовых системах известны способы электрического демпфирования, например, с помощью отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ. И в том, и в другом случаях АС теряет универсальность и не может быть использована с другим источником сигнала.
   Автором разработан более простой и универсальный способ улучшения звучания малогабаритной открытой АС. Он заключается в том, что последовательно с НЧ головкой включается режекторный LC-фильтр, настроенный на центральную частоту пика бубнения. На рис.2 показана принципиальная схема фильтра L1C1R1, работающего совместно с двухполосной автоголовкой ВА1. Принцип действия фильтра проиллюстрирован кривыми АЧХ на рис.3. В области бубнения электрическая АЧХ фильтра (кривая 1) противоположна акустической АЧХ ящика (кривая 2), в результате чего суммарная характеристика по звуковому давлению выравнивается (кривая 3).
   Несколько слов о конструктивных особенностях фильтра. Вообще говоря, режекторные фильтры в кроссоверах известны и применяются для подавления собственных резонансов в основном ВЧ головок. В данном случае проблема заключается в том, что приходится иметь дело с гораздо более низкими частотами: подавление бубнения открытого ящика "полочных" размеров требует частоты настройки фильтра около 300 Гц. В то же время, согласно формуле F=1/(2p(LC)1/2), снижение резонансной частоты F фильтра в два раза приводит к необходимости увеличения индуктивности L в четыре раза при С=const. Расчет показывает, что при F=300 Гц и С1=60 мкФ индуктивность катушки L1 должна составлять 4,7 мГн. Изготовить воздушную катушку такой индуктивности при достаточной добротности весьма проблематично, а если вообще возможно, то она будет иметь слишком большие габариты и массу.
   Выход из положения – применение катушки L1 с ферромагнитным сердечником. В кроссоверах иногда применяют дроссели на ферритовых сердечниках, но ферриты имеют относительно малую индукцию насыщения. Более компактный и высокодобротный дроссель может быть изготовлен на сердечнике из трансформаторной стали. Частотные свойства высококачественных холоднокатаных сталей 3412 (Э320), 3413 (Э330) нормируются в диапазоне 50…400 Гц, но сохраняются приемлемыми до частоты 1 кГц. Для рассматриваемого решения этого вполне достаточно, так как на более высоких частотах ток в параллельном контуре протекает через конденсатор С1.
   Чтобы избежать значительных искажений на низких частотах, следует выполнить элемент L1 линейным дросселем переменного тока (ЛДПТ). Полный расчет ЛДПТ в качестве катушки L1 фильтра "антибубнение" дан в [6]. Там же приведены результаты компьютерного моделирования в Micro-Cap 7.0. В настоящей статье отмечу лишь те характеристики фильтра, которые необходимы для его изготовления в качестве элемента рассматриваемой АС.
   В расчете на электрическую мощность АС до 50 Вт дроссель L1 выполнен на стержневом сердечнике ПЛ12,5 (16-25 от силового трансформатора Т-10-3 с линеаризующим немагнитным зазором в сердечнике). Катушка L1 содержит 110 витков провода ПЭВ-2 0,85, намотанных виток к витку на стандартном каркасе от того же трансформатора. Сопротивление катушки по постоянному току 0,15 Ом, что обеспечивает высокую добротность и малые потери в дросселе. При сборке разрезной магнитопровод склеивают через прокладки из плотной бумаги толщиной 0,18 мм. Толщину бумаги, из которой будут изготовлены прокладки, следует измерять микрометром, так как величина немагнитного зазора критична.
   В качестве конденсатора С1 применены два параллельно соединенных конденсатора МБГО-2 30 мкФх160 В. Можно использовать и другие конденсаторы, ориентируясь, например, на известные исследования о вносимых ими искажениях [7]. С другой стороны, трудно ожидать, что уменьшение коэффициента гармоник с 0,04% до 0,01% [7] в пассивном звене фильтра при многократно больших искажениях в динамических головках и других действующих факторах как-то скажется на качестве звучания. Полезным эффектом в ряде случаев может оказаться только уменьшение размеров фильтра.
   Переменный резистор R1 типа СП5-28 регулирует добротность фильтра, изменяя тем самым величину подавления пика бубнения. В крайнем правом положении его движка глубина подавления максимальна и достигает 14 дБ, по мере перемещения движка влево степень режекции уменьшается и равна нулю в крайнем левом положении.
   Фильтр настроен на частоту 300 Гц, соответствующую средней частоте бубнения открытой АС "полочных" размеров. Убедиться в его настройке, как и подкорректировать ее, можно по изложенной в [6] методике, но на практике этого чаще всего не требуется. Даже при небольшом возможном отклонении центральной частоты режекции от частоты бубнения ящика достигается положительный результат, улучшающий качество звучания. Акустическая АЧХ (кривая 3, рис.3) сглаживается, а некоторая ее волнообразность на низких частотах (в пределах 2…3 дБ) практически не влияет на общий результат СОК. Более существенной платой за устранение бубнения является уменьшение звукового давления на частотах ниже 100 Гц, но, во-первых, это характерно и для других вариантов акустического оформления, а во-вторых, может быть компенсировано особым расположением открытого громкоговорителя.
   На частотах выше 100 Гц формируемая АЧХ учитывает акустические особенности малых помещений и нелинейность слуха. Так, в области 200…300 Гц имеется небольшой спад, а на частотах 1…1,5 кГц – подъем, что соответствует кривым равной громкости и улучшает качество звучания и стереоэффект. Компьютерное моделирование показало, что фильтр имеет благоприятную ФЧХ, в определенной мере исправляющую ФЧХ НЧ звена головки. Это обусловлено тем, что нулевые точки ФЧХ фильтра и головки совпадают, а ветви расположены противоположно [6].
   Практическая конструкция открытого громкоговорителя может быть разнообразной и зависит от возможностей аудиолюбителя. Автор использовал готовые ящики АС от старого магнитофона "Тоника-310-стерео" (валявшиеся без дела) и недорогие автоголовки 35ГДШ отечественного производства (20 у.е. за пару). Размеры ящика 370х260х190 мм удовлетворяют требованиям к полочной АС. Доработка свелась к извлечению передней панели и прорезанию посадочного места под овальную головку 35 ГДШ. С целью виброизоляции лицевая панель оклеена линолеумом на синтетической основе и задекорирована материалом "под кожу".
   Внешний вид изготовленного громкоговорителя показан на рис.4. Головка 35ГДШ имеет конструктивно совмещенную с ней декоративную решетку и установлена с наружной стороны ящика. Головку также необходимо минимально доработать: вместо электролитического (!) конденсатора С2 10 мкФх25 В – ФВЧ "пищалки" (рис.2) установить неполярный конденсатор емкостью 8 мкФ, например, в виде двух параллельно соединенных конденсаторов МБГО 4 мкФх160 В или пленочных К-73 и т.п. той же суммарной емкости. Элементы фильтра L1, C1 и конденсаторы ФВЧ закрепляют в любом удобном месте корпуса. Переменный резистор R1 как элемент регулировки монтируют с условием выхода его рукоятки наружу: на заднюю или лицевую панель АС.
   В открытой АС кроме интерференционного резонанса возникает второй резонанс на собственной частоте f0 головки, зависящий от ее добротности. Он менее заметен как искажение АЧХ, но вызывает значительные нелинейные искажения на частоте f0 и близких к ней. Эти искажения обусловлены недопустимо большим ходом диффузора, когда помимо нелинейности преобразования нарушается форма тока через головку, что подтверждено осциллографированием. Устранить или значительно уменьшить резонансные искажения удается акустическим демпфированием: для этого из листа поролона толщиной 50 мм вырезают прямоугольную прокладку по внутренним размерам корпуса и устанавливают ее сразу за динамической головкой.
   При эксплуатации открытую АС следует располагать не вплотную к стенке, лучше всего в углах помещения. Угол играет роль фокусирующей линзы, переотражающей колебания задней поверхности диффузора, за счет чего резко усиливается отдача по НЧ. Степень подавления бубнения в зависимости от типа головки, расположения АС и личных предпочтений можно регулировать переменным резистором R1. На практике лучшим положением его движка обычно оказывается крайнее правое (рис.2), где в полной мере проявляется действие фильтра. Возможное при этом некоторое избыточное подавление компенсирует резонирующий эффект малых помещений. Необходимо также учитывать, что с уменьшением глубины режекции АЧХ фильтра становится более пологой, что может привести к дополнительному ослаблению самых низких частот диапазона (менее 100 Гц). Частота собственного резонанса головки не влияет на частоту бубнения ящика, т.е. рассматриваемая конструкция достаточно универсальна.
   При малых затратах и простоте изготовления предложенный громкоговоритель обеспечивает высокое качество звучания. Бубнение полностью отсутствует, бас упругий, с хорошей атакой, причем эти характеристики улучшаются с установкой фильтра L1, C1. Несмотря на простоту разделительного фильтра, звучание на средних частотах яркое, чистое, с хорошей прорисовкой деталей и стереопанорамой. Заметных искажений в области частоты раздела не зафиксировано. Последнее обстоятельство может быть объяснено тем, что НЧ головка 35ГДШ имеет бумажный диффузор, для которого характерен наилучший переход от поршневого к зонному типу излучения и, соответственно, неплохое звучание на СЧ. При этом плавный спад звукового давления в зоне совместного излучения с ВЧ головкой при коаксиальном расположении последней обеспечивает указанный результат. Сказанное, разумеется, не исключает возможности дальнейшего улучшения качества звучания путем применения разделительных фильтров более высоких порядков, замены "пищалки" высококачественными твитерами или всей автоголовки в целом. Громкоговоритель, таким образом, вполне можно считать модернизируемым, учитывая, что кардинальной переделки наиболее трудоемких звеньев (ящика и фильтра L1, C1) не требуется.
   В испытаниях в полной мере проявилось и такое важное достоинство открытого громкоговорителя, как высокая отдача. В стереоварианте подобная АС в помещении до 20 м2 способна развивать "дискотечное" звуковое давление от относительно маломощного УМЗЧ. Автор использовал BTL УМЗЧ на ИМС TDA1557Q (2х20 Вт), но аналогичные результаты получены и от других усилителей мощностью 2х10…25 Вт. Указанное преимущество может быть решающим для любителей "лампового" звука, поскольку выходная мощность ламповых УМЗЧ обычно невелика.
   Литература
   1. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ-громкоговоритель//Радио. – 2000. – №7. – С.16–19.
   2. Пахомов А. Особенности применения аудиопроцессора TDA3810//Радиохобби. – 2004. – №4. – С.54–56.
   3. Пахомов А. Метод оценки нелинейности амплитудной характеристики УМЗЧ//Радioаматор. – 2005. – №6. – С.5–8.
   4. Алексеев А. Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и "глубоких басах"//Радиохобби. – 2000. – №5. – С.59–65.
   5. Дольник А. Особенности работы головки громкоговорителя в акустическом оформлении. – В помощь радиолюбителю. Вып. 56. – М.: ДОСААФ, 1977, с.34–40.
   6. Пахомов А. Фильтр "антибубнение" для открытых АС//Радиохобби. – 2003. – №2. – С.52–54.
   7. Карпов Е., Найденов А. Конденсаторы для фильтров акустических систем//Радио. – 2004. – №11. – С.16–18.
   ЂЌvзspP%mQ%fT%cU%\V%UW%RX%Kz%H  ь  z%{%tЙ&qК&jЊ'g‘'dй-aЫ.^Я.[д.Xѓ/U€/R2O2яяьь 22x 2q’En—EkyHhzHaяH^IWгSTдSMHUJ ьь  HURUxЊXuЋXrЂЌpйpp@pфpЫp* pЅ p€p+pЉp8pKp, pА"pH%p\%p№%p
   Е№%B'p™)p,pй-pQ0p¤3p 6p®7pG:pp<p§=pэ@p
   Cp[EpHpДJptNpBSp
   ЕBSHUpTUpОUp2Vp Vp2WpИWp#XpЋXpЏXяя
   Е
   ИAѓ.яяnм8Љ¦%Рш>РРИ(XЂ\XяяяяSymbol
   PFuturisC Futuris