22. Качественные показатели акустических систем

Основными показателями, определяющими качество и общий уровень современной акустической системы, являются: полоса воспроизводимых частот и неравномерность частотной характеристики по звуковому давлению в пределах этой полосы, а также характер этой неравномерности, величина звукового давления или выходной мощности, коэффициент нелинейных искажений, характер направленности излучения, количество плоскостей излучения и локализованных источников звука, объем и вес акустического агрегата.

Помимо этих прямых показателей мы предлагаем ввести еще два производных показателя, весьма существенно характеризующие акустическую систему с точки зрения ее экономичности, к.п.д. и, если так можно выразиться, "конструктивной зрелости". Это отношение номинальной электрической мощности к полному объему агрегата (вт/м³) и отношение этой же мощности к весу (вт/кг). Дальше мы увидим, что эти показатели наглядно иллюстрируют неудовлетворительность большинства радиолюбительских и промышленных конструкций. Рассмотрим подробнее каждый из этих показателей.

Полоса воспроизводимых частот определяется снятой по звуковому давлению частотной характеристикой всего агрегата в целом. Она зависит от частотных характеристик (по звуковому давлению) отдельных громкоговорителей, от конструкции футляра, а также от взаимного расположения громкоговорителей.

Поскольку общая частотная характеристика агрегата зависит от всех указанных факторов, оказывается возможным формировать ее разумным комбинированием частотных характеристик отдельных громкоговорителей, изменением формы и объема акустической камеры, применением звукопоглощающих материалов, введением акустических лабиринтов, резонаторов и фазоинверторов.

Формирование частотной характеристики агрегата обычно начинают с установления правильных соотношений мощностей излучения двух смежных по полосе громкоговорителей в области частоты раздела (граничной частоты двух соседних участков спектра). Так как в каком-то общем участке звуковые давления смежных громкоговорителей складываются, нужно, чтобы частотные характеристики этих громкоговорителей по звуковому давлению складывались, образуя постоянную величину суммы на всем общем участке излучения. На рис. 54 показаны возможные случаи сложения характеристик двух громкоговорителей при крутых и пологих фронтах срезов характеристик. Мы не советуем стараться получать очень резкие спады частотных характеристик излучения громкоговорителей на граничных частотах, так как это затрудняет формирование сквозной частотной характеристики агрегата с приемлемой неравномерностью в пределах всего спектра.

Рис. 54. Формирование сквозной частотной характеристики акустического агрегата с двумя громкоговорителями

Более разумно при двухполосном агрегате основной (низкочастотный) излучатель использовать в диапазоне от нижней граничной частоты (20-40 гц) до частот порядка 6-8 кгц, а высокочастотный излучатель подключать постепенно, плавно (например, через конденсатор), начиная с частот порядка 3-5 кгц.

В трехполосном агрегате путем точного и тщательного подбора громкоговорителей как по типам, так и по экземплярам, нужно стараться среднечастотный громкоговоритель включить таким образом, чтобы его излучение со стороны нижних частот начиналось сразу же за пиком собственного механического резонанса основных (низкочастотных) громкоговорителей, но не включало в себя его собственный механический резонанс (см. рис. 55).

Рис. 55. Формирование сквозной частотной характеристики акустического агрегата из трех групп громкоговорителей (два одинаковых низкочастотных с собственными резонансными частотами 38 и 33 гц, среднечастотного с собственным резонансом на частоте 60 гц и двух высокочастотных). Пунктиром показаны собственные частотные характеристики каждой группы без учета действия разделительных фильтров

Со стороны верхних частот характеристика среднечастотного громкоговорителя должна плавно и монотонно убывать к частотам 1,8-10 кгц, перекрываясь на участке 5-8 кгц с нижней (левой) ветвью характеристики высокочастотного излучателя.

Неравномерность частотной характеристики чувствительности агрегата в пределах рабочей полосы частот должна быть по возможности небольшой, однако этого довольно трудно добиться, так как большинство отечественных громкоговорителей имеет по ГОСТ допустимую неравномерность порядка 14 дб (в четыре с лишним раза по звуковому давлению).

Впрочем, при наличии нескольких громкоговорителей, подобранных должным образом, общая неравномерность системы, как правило, уменьшается. Если при этом еще применить несколько акустических фильтров и резонаторов, настроенных точно на частоты наибольших подъемов и провалов сквозной характеристики, то ее можно сделать равномерной в пределах ±2-3 дб, что считается вполне достаточным, так как дальнейшее уменьшение неравномерности на слух практически не ощутимо.

Общую неравномерность характеристики желательно распределить таким образом, чтобы характеристика была симметрична относительно частоты 1000 гц и плавно и монотонно поднималась к обоим краям рабочей полосы частот.

Любопытно, что когда идет речь о неравномерности частотной характеристики акустического агрегата или отдельного громкоговорителя, обычно оговаривается только величина неравномерности и почти никогда не упоминается характер этой неравномерности. Между тем характер неравномерности частотной характеристики излучателя звука гораздо сильнее сказывается на качестве звучания и имеет большее значение для конструирования акустической системы, чем ее абсолютная величина.

На рис. 56 приведены частотные характеристики девяти акустических систем. Из сравнения характеристик видно, что системы очень сильно отличаются друг от друга, хотя все они на самом деле имеют одинаковые рабочие полосы воспроизводимых частот и одинаковую величину неравномерности частотной характеристики в пределах этой полосы, т. е. иными словами, все девять систем по общепринятой методике объективной оценки должны быть признаны одинаковыми.

Рис. 56. Частотные характеристики девяти различных акустических агрегатов с одинаковой рабочей полосой частот и одинаковой неравномерностью в пределах этой полосы, но различающиеся характером этой неравномерности

Рассмотрим коротко все эти характеристики. Характеристика, изображенная на рис. 56, а линейна на большей части рабочего диапазона и имеет резкие спады только вблизи его границ. Если мы вспомним, что для получения более точной звукопередачи при сниженной против естественной громкости стремятся подчеркнуть и низшие и высшие частоты, то окажется, что рассматриваемая характеристика является как раз обратной, т. е. сильно ослабляет действие регуляторов тембра, уменьшая их реальный диапазон регулирования.

Характеристики на рис. 56, б и в монотонно возрастают или монотонно убывают от одного края к другому. В первом случае это снижает отдачу на низких частотах, заставляя искусственно "поднимать" низшие частоты в усилителе, что всегда нежелательно из-за увеличения фона; во втором случае то же происходит с высшими частотами, искусственный подъем которых в усилителе приводит к увеличению "шипения".

Характеристика рис. 56, г имеет неравномерность, распределенную по всему диапазону воспроизводимых частот без выраженного преобладания на отдельных участках. При такой характеристике акустическая система обычно имеет наибольший коэффициент нелинейных искажений, и в такой системе труднее всего, устранять раз, личные механические дребезжания ее элементов.

Характеристика рис. 56, д уже предпочтительнее, хотя наличие острых пиков на граничных частотах приводит на практике к неприятному "бубнению" и неоправданному подчеркиванию самых высших частот, где сосредоточены обертоны (обычно в форме вторых и третьих гармоник) многих музыкальных инструментов, в силу чего высокочастотный "пик" резко увеличивает коэффициент нелинейных искажений системы.

Характеристики, изображенные на рис. 56, е и ж, являются результатом неправильного выбора соотношения мощностей громкоговорителей в двухполосном акустическом агрегате, а на рис. 57, з - в трехполосном.

Последняя характеристика (рис. 56, и) наиболее предпочтительна, так как она в значительной мере компенсирует неравномерность частотной характеристики человеческого уха при малой громкости и способствует увеличению эффективной глубины регулировки тембра в УНЧ. Хотя, конечно, повторяем, лучше всего добиваться малой неравномерности частотной характеристики агрегата в целом.

Коэффициент нелинейных искажений акустического агрегата может значительно превышать к.н.и. усилителя.

Нелинейные искажения акустического агрегата вызваны главным образом двумя причинами: неравномерностью магнитного потока в зазоре магнитной системы громкоговорителей и параметрическим возбуждением конуса (диффузора), когда конус колеблется с частотой, вдвое меньшей возбуждающей. К нелинейным искажениям относят и дребезжание каких-нибудь деталей футляра, громкоговорителей, проводов и разных конструктивных элементов. Чаще всего источниками дребезжаний являются выводные провода от диффузоров громкоговорителей, особенно если они при больших амплитудах сигнала касаются корпуса диффузородержателя или самого диффузора, неплотно пригнанная задняя стенка, плохо закрепленные соединительные провода внутри агрегата, не до конца завинченные болты и шурупы с подложенными под них шайбами и плохо натянутый драпировочный материал на лицевой стороне футляра громкоговорителя. Поэтому для уменьшения к.н.и. акустического агрегата надо при его сборке обращать самое серьезное внимание на указанные моменты. Если на одной или нескольких частотах к.н.и. агрегата намного превосходит допустимый, нужно вначале попытаться заменить на другой однотипный тот из громкоговорителей, в чьей рабочей полосе находится частота с большим значением к.н.и. Обычно это всегда помогает. Если же после такой замены к.н.и. все равно остается недопустимо большим, нужно избирательно уменьшить отдачу на этой частоте, используя акустические методы или применяя режекторные фильтры в УНЧ. При этом можно в случае необходимости делать "вырез" в характеристике больше, чем это допускается общей величиной неравномерности на весь тракт, так как это всегда лучше, чем большой коэффициент нелинейных искажений.

Номинальная электрическая мощность акустического агрегата - это та подводимая к нему мощность, при которой к.н.и. не превышает определенной, заданной величины. Номинальная электрическая мощность, вообще говоря, является косвенной характеристикой, не дающей однозначного представления о громкости звучания. Это объясняется тем, что звуковое давление, развиваемое громкоговорителем, зависит от подводимой к нему электрической мощности звукового сигнала и от к.п.д. громкоговорителя. Может оказаться, что два громкоговорителя с одинаковой номинальной электрической мощностью имеют разный к.п.д. При одинаковом акустическом оформлении и одинаковой подводимой мощности громче будет звучать тот, у которого выше к.п.д.

Правильнее было бы сравнивать разные акустические системы о развиваемому ими звуковому давлению при одинаковой подводимой мощности, однако измерение звукового давления возможно только в лабораторных условиях, поэтому на практике с величиной подводимой электрической мощности связывают громкость звучания, что в подавляющем большинстве случаев практики вполне допустимо и оправдано.

Вопрос о том, какова должна быть номинальная мощность акустического агрегата в Hi-Fi системе - спорный, и дать на него однозначный ответ невозможно. Некоторые считают вполне достаточной величину 3-5 вт. Большинство отечественных вещательных радиоприемников бытового назначения имеют такие же значения. Даже у стереорадиол высшего класса ("Симфония-2" и "Эстония-4") номинальная мощность каждой звуковой колонки равна 9 вт.

Зарубежные фирмы, напротив, выпускают акустические агрегаты для Hi-Fi аппаратуры преимущественно с большими значениями номинальной мощности. Среднее значение этой мощности обычно лежит в пределах 15-30 вт (на одну колонку) хотя довольно часто встречаются системы мощностью 40, 60 и даже 100 вт.

Основной вопрос, который обычно приходится решать при выборе номинальной мощности акустического агрегата - это соотношение между мощностями отдельных групп громкоговорителей. Неправильный выбор такого соотношения приводит к увеличению неравномерности частотной характеристики агрегата (см. рис. 57).

Характеристика направленности излучения акустического агрегата почти целиком определяется направлением осей отдельных громкоговорителей. Однако никогда нельзя забывать, что распределение плотности звуковой энергии в помещении зависит и от характеристики направленности излучения агрегата и от свойств среды "Б", т. е. от характера отражения, поглощения и рассеяния звука в данном помещении.

Поэтому в радиолюбительских условиях, когда создаваемая конструкция заранее рассчитывается на определенное помещение, первичными являются свойства среды "Б", а характеристика направленности излучения акустического агрегата будет подчиненным, производным параметром. Именно это обстоятельство затрудняет рекомендации по выбору характеристики направленности излучения акустической системы, хотя, повторяем, параметр этот очень важный.

Впрочем, некоторые общие советы все же можно дать. Прежде всего, бесполезно ставить перед собой задачу достижения равномерности плотности звуковой энергии по всему помещению, так как это практически недостижимо. Гораздо правильнее ограничить некоторую площадь внутри помещения, являющуюся самой удобной для расположения постоянных слушателей, и, считая эту площадь оптимальной зоной слушания, добиваться равномерной громкости звучания внутри этой зоны. Особенно справедливо такое решение для стереофонических систем, где оптимальная зона просто ограничена необходимостью получить максимальный стереоэффект.

Располагая громкоговорители внутри агрегата, нужно учитывать и использовать влияние отражающих, поглощающих и рассеивающих предметов в помещении, а в случае необходимости - умело вводить их искусственно (например, повесить в определенном месте на стене и под определенным углом картину, зеркало или, наоборот, ковер, штору и т. д.). Полезно, чтобы радиолюбители экспериментировали в этом отношении.

Вообще вся эта работа почти целиком является экспериментальной, и единственным критерием правильности ее выполнения является описанный в гл. 1 метод субъективных испытаний.

Почти всегда легче добиться нужного характера излучения агрегата, если акустические камеры НЧ и ВЧ групп громкоговорителей внутри агрегата полностью разобщены глухими перегородками со звукопоглощающими поверхностями. Неравномерная (отличающаяся от круговой) характеристика направленности с заметными зонами провала обычно возникает при наличии отраженных звуковых волн внутри футляра агрегата и неудачной ориентацией осей громкоговорителей, поэтому надо принимать меры для предотвращения таких искажений. Как это делать - мы расскажем дальше.

И, наконец, нужно напомнить, что вовсе не обязательно (тем более в любительских условиях) все громкоговорители размещать внутри основного агрегата. Часть громкоговорителей, обычно высокочастотных, целесообразно разместить на стенах или по углам комнаты, по возможности скрытно, опытным путем подбирая высоту подвеса, угол наклона громкоговорителя к горизонтальной плоскости.

Отношение номинальной мощности акустического агрегата к его объему и весу является, как мы уже говорили, очень важной его характеристикой. Действительно, во всех случаях желательно получить нужные акустические показатели при меньших размерах агрегата, так как в общем-то акустическая система в жилом помещении является лишним, посторонним предметом, занимающим дополнительное место. Особое значение этот фактор приобретает для небольших квартир, поэтому совершенно недопустимо произвольное, неоправданное увеличение размеров акустических агрегатов, тем более что это всегда связано с удорожанием установки в целом.

Однако и уменьшение размеров агрегата должно быть разумным, поэтому в следующем параграфе мы рассмотрим этот вопрос подробнее.

В табл. 14 приведены сравнительные данные целого ряда отечественных и зарубежных акустических Hi-Fi агрегатов. Мы включили в эту таблицу две графы с показателями отношения номинальной мощности агрегата к его объему и весу. При рассмотрении таблицы бросается в глаза большая разница этих двух показателей для отечественных промышленных акустических систем и аналогичных зарубежных.

Таблица 14

Если для лучших отечественных радиол высшего класса "плотность мощности" составляет менее 100 вт/м², то для большинства современных зарубежных моделей эта цифра колеблется около значения 1000 вт/м³, достигая в некоторых образцах величин 2-3 квт/м³. Аналогичная картина наблюдается и для другого показателя - "удельного веса" номинальной мощности. Наивысшее значение этого показателя среди отечественной аппаратуры равно 0,39 вт/кг (для радиолы "Симфония-2"), тогда как для большинства зарубежных систем этот параметр выражается единицами и десятками ватт на килограмм.

Правда, такое резкое различие объясняется чаще всего тем, что зарубежные акустические системы строятся по "закрытому типу" в отличие от "открытых" систем отечественного производства.

Поскольку не все радиолюбители четко представляют себе сущность названных систем и разницу между ними, мы рассмотрим сейчас этот вопрос несколько подробнее.