Глава четвертая. Акустические системы

21. Общие сведения

Излучатели звука (громкоговорители) являются едва ли не самым ответственным звеном Hi-Fi тракта, так как в конечном счете именно от параметров акустической системы и ее качества зависит качество звучания установки. Очень важно также и то соображение, что излученный громкоговорителем звук практически уже нельзя исправить никакими корректирующими системами, как мы делали это с электрическим сигналом в усилителях. Отсюда становятся понятными и особо жесткие требования, предъявляемые к Hi-Fi акустическим системам.

В следующем параграфе мы подробно рассмотрим этот вопрос, а сейчас попробуем коротко проследить эволюцию акустических систем от момента их возникновения, так как без этого трудно понять, как почему на разных этапах развития радиовещания менялись требования к звуковоспроизводящим устройствам.

Исторически первым электроакустическим преобразователем был электромагнитный телефон с жесткой металлической мембраной качестве излучателя. Поскольку единственным источником электрического низкочастотного сигнала в то время являлся угольный микрофон с полосой пропускания 300-2000 гц, никаких требований естественности воспроизводимого звука к телефону, разумеется, не предъявлялось, так же как никому не приходило в голову измерять коэффициент нелинейных искажений, звуковое давление или неравномерность частотной характеристики.

Единственным требованием к низкочастотной части радиоаппаратуры того времени была громкость звука, поэтому все усилия специалистов были сконцентрированы в этом направлении.

В результате вскоре появились громкоговорящие устройства, в которых увеличение громкости достигалось только путем увеличения площади излучателя. Радиолюбители старшего поколения помнят громкоговорители типа "Фарранд" и "Рекорд" (полоса пропускания 200-4000 гц при неравномерности порядка 20 дб, максимальная выходная мощность 100 мвт, к.н.и. 10-15%), продержавшиеся в обращении вплоть до 40-х годов.

Однако когда радиоаппаратура стала "громкоговорящей", начали обращать внимание и на другие характеристики звука. На повестку дня стал вопрос расширения частотного диапазона. Так как тракты радиовещания и появившиеся к тому времени шеллачные грампластинки имели полосу частот порядка 100-5000 гц, такие же требования были предъявлены и к громкоговорителям.

Вскоре был создан электродинамический конусный громкоговоритель с подмагничиванием постоянным током. Эти громкоговорители ("динамики", как их в то время называли в отличие от электромагнитных) обеспечивали нужную полосу частот при удовлетворительной неравномерности частотной характеристики и имели электрическую мощность порядка 2-5 вт. У "динамиков" для киноаппаратуры мощность достигала 15-25 вт.

Так как эти параметры превосходили параметры остальных звеньев тракта, дальнейшее развитие громкоговорителей на какое-то время приостановилось. Правда, за это время появились сплавы с высокой магнитной проницаемостью, позволившие заменить катушку подмагничивания постоянным магнитом.

Следующим этапом совершенствования громкоговорителей было расширение полосы частот в сторону низших частот, объяснявшееся тем, что многие радиовещательные станции выпускали программы с частотным диапазоном от 50 гц до 5 кгц. Поэтому появились громкоговорители с резонансными частотами 60, 40 и даже 25 гц.

Не углубляясь дальше в историю, обратим внимание на то, что при всех модернизациях громкоговорителей для радиовещания никогда и нигде не возникал вопрос о количестве и расположении громкоговорителей. Считалось совершенно естественным и само собой разумеющимся, что в приемнике должен быть один громкоговоритель, расположенный фронтально на передней панели самого приемника. И опять-таки это объяснялось тем, что качество радиовещательного тракта в целом было еще настолько низким, что к нему даже и не пытались предъявлять требование достоверности звуковоспроизведения.

Следующим, поистине революционным этапом в радиовещании, с которым по существу впервые возник термин "высококачественное звуковоспроизведение", явился переход некоторых радиостанций на частотную модуляцию в УКВ диапазоне. Этот переход сразу же, скачком расширил частотный диапазон тракта до полосы 40-12000 гц. Почти в то же время были разработаны и выпущены с продажу бесшеллачные "долгоиграющие" грампластинки с такой же и даже еще более широкой полосой частот. Все это вместе взятое, включая появление хороших пьезоэлектрических звукоснимателей, снова сделало громкоговорители одним из "слабых" звеньев тракта.

Правда, улучшением конструкции, применением более совершенных материалов, изменением технологии удалось сравнительно быстро "довести" громкоговорители до такого же уровня, однако в процессе этих работ и в результате серьезных научных и опытно-конструкторских исследований было установлено, что параметры лучших образцов громкоговорителей (полоса частот 60-12000 гц, Р_вых = 4-6 вт, к.н.и. порядка 4-6%) являются почти предельными, и что дальнейшее расширение полосы частот требует принципиально иных решений.

Одним из таких решений оказалось построение акустических систем из нескольких громкоговорителей с различными параметрами. Вначале это были системы из двух громкоговорителей - одного "основного", низкочастотного с полосой 40-6000 гц и мощностью 8- 15 вт и другого высокочастотного с диапазоном от 4-6 до 12-15 кгц и мощностью 2-4 вт. Такие системы, правильно сконструированны обеспечивали хорошее воспроизведение звука.

Однако, как это нередко случается, вскоре стало очень "модным" увеличивать количество громкоговорителей в приемниках. Возможно, что на Западе в это был заложен рекламный смысл. Тем не менее и некоторые наши радиолюбители стали изготовлять "агрегаты" с 8, 12 и более громкоговорителями. Автору этой книги довелось видеть "высококачественную" любительскую НЧ установку, содержащую 21 различный громкоговоритель, но ее качество отнюдь не соответствовало такому количеству громкоговорителей.

Для того чтобы технически грамотно подойти к решению этого вопроса, нужно ясно представлять себе, что требуется от каждого громкоговорителя и всей акустической системы в целом и что дает добавление в систему дополнительного громкоговорителя. Поскольку вопрос этот очень важный, мы посвятим его рассмотрению отдельный параграф.

Мы бегло проследили путь эволюции акустических систем и можем констатировать, что родоначальник этих систем - обычный телефонный капсюль - совершенно исчез из поля нашего зрения после появления электродинамических громкоговорителей. Действительно, кажется странным, что при наличии мощных широкополосных акустических агрегатов мы почему то вновь вспомнили о скромном телефонном "наушнике".

Однако в природе и в технике не бывает предметов, обладающих только достоинствами либо только недостатками. Дело в том, что по мере дальнейшего совершенствования акустических систем и еще большего повышения требований к ним стали очевиднее и некоторые их недостатки. Чтобы понять, в чем здесь дело, нужно вспомнить, что главная задача систем высококачественного звуковоспроизведения - это субъективно точная передача звуковой картины, которая воспринимается слушателем, находящимся в концертном зале Вили зале театра. Обратите на это особое внимание: нас интересует именно та картина, которую воспринимает слушатель в зале, а не та, которую в действительности создает оркестр или исполнитель. В этой казалось бы не очень существенной разнице кроется глубокое содержание.

В самом деле, мощные ударные инструменты (например, литавры) имеют пиковую мощность, измеряемую десятками ватт и создают в непосредственной близости от них звуковое давление, измеряемое десятками бар. Каждый, кто хоть раз находился в оркестровой яме или на сцене при выступлении большого симфонического оркестра, знает, что в непосредственной близости от него теряется всякое эстетическое впечатление от музыкального произведения и остается чисто шумовое восприятие больших мощностей, вплоть до болевых ощущений.

Иное дело - восприятие звуковой картины в зале. При проектировании и строительстве концертных и театральных залов акустические параметры зала (время реверберации, характер первых отражений, степень диффузности и т. п.) выбираются такими, чтобы обеспечить наилучшую с чисто субъективной точки зрения слышимость, которую мы условно принимаем и считаем за исходное, безукоризненное, естественное звучание. Итак, казалось бы существуют условия оптимального слушания музыкальной программы.

На самом же деле понятие это явно относительное, потому что музыкальное произведение, исполняемое тем же оркестром с теми же исполнителями и дирижером в другом помещении, будет восприниматься совершенно иначе, а на открытом воздухе звучание вообще не будет иметь ничего общего со звучанием в концертном зале. Это говорит о том, что понятие "естественное звучание" - очень относительное.

Существует два пути для воссоздания звучания с помощью усилительной и звуковоспроизводящей аппаратуры.

Первый путь - это применение громкоговорителей или акустических громкоговорящих агрегатов, озвучающих сразу все помещение. Второй путь - воссоздание непосредственно около уха одиночного, отдельно взятого слушателя звуковой картины, наблюдаемой в - концертном зале или студии. Этот путь ведет к применению головных телефонов.

Как это ни парадоксально на первый взгляд" применение головных телефонов принципиально может обеспечить более высокую верность воспроизведения, чем самая совершенная система озвучания всего помещения. Объясняется это тем, что система с головными телефонами (СГТ) имеет по сравнению с громкоговорящими системами (назовем их условно системами открытого звучания - СОЗ) ряд неоспоримых и очень важных преимуществ.

Первое и главное из них - это полная независимость качества звука от среды "Б" и ее параметров. Действительно, для точного воссоздания "естественного" звучания в помещениях с разными и всегда отличными от студийных условиями распространения звука нужно вводить в низкочастотный тракт множество самых разнообразных корректнее, причем никогда не удается добиться одинакового звучания в разных помещениях или для слушателей, находящихся в разных точках одного и того же помещения.

При СГТ, напротив одинаковое звучание воспроизводится для любого количества слушателей с одинаковыми головными телефонами, независимо от места и характера их расположения как в любом помещении, так и на открытом воздухе.

Далее, слушатель в СГТ по существу невосприимчив к всевозможным акустическим помехам и посторонним шумам и звукам в помещении, тогда как СОЗ требует снижения уровня шума внутри помещения для прослушивания.

В то же время СОЗ сама является исключительно сильным источником звуковых помех для окружающих людей в довольно обширной зоне, тогда как СГТ не создает никаких помех даже в непосредственной близости от слушателя. Таким образом, при всестороннем рассмотрении оказывается, что у СГТ гораздо больше преимуществ, чем недостатков по сравнению с СОЗ.

Разумеется, все сказанное справедливо, если допустить, что головные телефоны по своим параметрам будут такими, что обеспечат точное воссоздание спектра и уровней сигнала, соответствующих исходному звучанию в концертном зале.

Надо сказать, что уже сейчас существуют такие головные телефоны. За последние годы многие ведущие зарубежные фирмы уделяют самое пристальное внимание изучению и развитию систем звуковоспроизведения с головными телефонами, особенно для целей стереофонии. Давно отошли в прошлое времена, когда телефонный капсюль имел полосу воспроизведения от 300 до 2000 гц и динамический диапазон около 20 дб. На рис. 53 приведена частотная характеристика стереофонического головного телефона (фирма Bayer, модель DT-48). Из рисунка видно, что частотная характеристика телефона линейна в полосе от 15 до 1000 гц, а в полосе от 15 до 20000 гц неравномерность не превышает 3 дб. Заметим, что такой характеристики не имеет ни один, даже самый лучший современный громкоговоритель. Кроме того, в отличие от громкоговорителей телефоны вообще не имеют выраженного механического резонанса па нижних частотах, это позволяет без труда расширить частотный диапазон тракта в сторону низших частот вплоть до значений 10 гц, что в обычных акустических системах крайне затруднительно.

Рис. 53. Частотная характеристика стереофонического головного телефона типа DT-48

Наконец, при использовании СГТ необходима электрическая мощность, не превышающая 100-200 мвт, что позволяет принципиально вообще исключить из Hi-Fi тракта УНЧ, являющийся на сегодня одним из наиболее сложных его звеньев, или, в крайнем случае, сделать его простейшим одно-двухкаскадным, без усилителя мощности и выходного трансформатора.

В табл. 13 приведены некоторые сравнительные данные обеих систем (СГТ и СОЗ), из которой читатель сможет сделать для себя любопытные и неожиданные выводы. Во всяком случае, у систем с головными телефонами, бесспорно, большое будущее, и мы настоятельно рекомендуем радиолюбителям обратить серьезное внимание на эту новую область высококачественного звуковоспроизведения.

Таблица 13

Это, конечно, не означает, что громкоговорящие системы будут постепенно отмирать. Напротив, в ближайшие годы можно ожидать появления еще более совершенных акустических систем. Сейчас наиболее наглядна тенденция к увеличению таких показателей, как отношение номинальной выходной мощности акустического агрегата к его объему и весу. Это означает, иными словами, неуклонное уменьшение размеров и веса акустических систем при одновременном увеличении их мощности.

Относительно количества громкоговорителей в каждом агрегате можно сказать, что сегодня наибольшее распространение получили агрегаты с двумя, тремя и четырьмя излучателями. Системы с одним или пятью громкоговорителями встречаются очень редко. Дальше мы подробнее рассмотрим вопрос о выборе количества громкоговорителей и соотношении их параметров внутри агрегата.