НЕМНОГО ИСТОРИИ
Современный громкоговоритель (динамик, звуковая головка, динамическая головка) довольно сложное устройство. На рисунке вверху показаны его составные части. Он не намного изменился с тех пор, как был изобретен.
Разработанный в 1925 году в BELL Laboratories (США) электродинамический принцип возбуждения механических колебаний звуковой катушки с диффузором в громкоговорителе предусматривал использование в нем электромагнита, питаемого от сети постоянного тока. Двумя годами позже, в 1927 году, в Англии инженер Г. Хартлей (Harold A.Hartley) из компании ENGLISH ELECTRIC Co предложил установить в динамической головке взамен устройства подмагничивания постоянный магнит. Производство мощных магнитов для нужд электропромышленности к тому времени уже было налажено, и было известно о стабильном сохранении изначально заданных параметров. Г. Хартлей считал, что для передачи всего диапазона звуковых частот достаточно одного хорошего громкоговорителя. Разработанный им громкоговоритель отвечал требованиям высокой верности воспроизведения звуков, и поэтому применительно к нему был запущен в обращение термин "Хай-Фай" (Hi-Fi, High Fidelity) - высокая верность. Термин закрепился, и его применение распространилось на другие разновидности бытовой качественной звуковой аппаратуры. В последующем требования, а также методы и средства измерений характеристик Hi-Fi-радиоаппаратуры были изложены в европейском стандарте DIN 45500. По заветам Г. Хартлея до сих пор выпускаются динамические головки английской фирмы LOWTHER, отвечающие требованиям широкополосности.
БОРЬБА ЗА КАЧЕСТВО ЗВУКА
В разработках и производстве современных электродинамических громкоговорителей до сих пор повторяются нововведения, известные еще с 1920-х годов. Вместе с тем на протяжении многих лет практически все конструктивные элементы акустических преобразователей дорабатывались. В процессе их совершенствования больше всего внимания уделялось возмущающим мембранам, устройствам их подвеса и центрирующим шайбам. Так, например, у многих нынешних динамических головок материалом для воздушных возбудителей служит не только апробированная прессованная пропитанная бумага с добавками, но и предложенный английской фирмой B&W (Bowers & Wilkins) полипропиленовый материал, армированный кевларовыми нитями. В других случаях для диффузоров низкочастотных (НЧ), среднечастотных (СЧ), высокочас тотных (ВЧ) громкоговорителей подходит стеклоткань, керамика, а также металлы - титан, алюминий, сплав алюминия с магнием; распространены мембраны двух- и трехслойные из металла, синтетики в сочетании с бумагой. В последние годы мембраны большинства высокочастотных головок преобразовались в излучатели купольного (выгнутого наружу) типа. Для уменьшения веса и лучшей управляемости изготавливаются они чаще из металлической фольги или шелка. Совершенствовались и постоянные магниты: для их изготовления стали использовать редкоземельные элементы с высокой способностью к намагничиванию, например легкосплавный металл неодим.
В громкоговорителе мембрана совершает поршневые (колебательные) перемещения вперед-назад. Звуковая волна идет на слушателя. Понятно, что смещение диффузора в направлении слушателя является рабочим (полезным). Движение его тыльной части в противоположную сторону не замечалось бы на слух, если бы излучатель находился в открытом пространстве (например, в чистом поле). В реальных условиях обратные воздушные волны, будучи отраженными от стен помещений с некоторым запозданием во времени, также воздействуют на слушателя и несколько искажают звуковой образ. Тем не менее в 1920-1930-х годах и много лет потом для радиоприемников и радиол применялись открытые с двух сторон акустические конструкции. Это оправдывалось возможностью реализовать в полной мере в то время еще недостаточные мощностные данные громкоговорителей.
Появившееся позднее акустическое оформление в виде закрытых ящиков предусматривало в звуковой колонке (ЗК) глухую заднюю стенку, благодаря которой исключается взаимодействие фронтального и тылового излучений громкоговорителей. Внутри корпуса колонки обратные воздушные волны гасятся непараллельными стенками и поглощающими материалами.
Достичь качественной передачи звука весьма сложно. Получившее ныне повсеместное признание конструктивное решение, поименованное как "закрытый ящик", оказалось весьма эффективным для неискаженной передачи звука в заданной полосе частот. Но в соответствии с азбучными законами радиотехники при использовании динамической головки с высокой добротностью здесь слишком громко звучат басы. При установке в ЗК громкого ворителя с пониженной добротностью получается более широкая и ровная амплитудно-частотная характерис тика (АЧХ). Но вместе с тем уменьшается громкость воспроизводимых низких частот (НЧ).
Поэтому было предложено ввести в звуковую колонку акустический усилитель низких частот - фазоинвертор (за рубежом - Bassreflex, Vented box, Ported box). По существу фазоинвертор (ФИ) представляет собою довольно простую конструкцию, повторяющую разработанный почти 150 лет назад классический резонатор Г. Гельмгольца - великого ученого и первопроходца акустики (фото вверху). Впервые использовать Bassreflex для увеличения громкости звучания низкочастотной составляющей музыкального сигнала предложил инженер A.Typac (Albert L. Thuras) из лаборатории BELL Labs (США). Свое видение акустического устройства он изложил в заявке на патент от 15 августа 1930 года. Вокруг базового громкогово рителя предусматривался монтаж 13-ти резонаторов. В последующем эмпирически было установлено, что для подъема басов при воспроизведении музыки легкого жанра достаточно одного-двух резонаторов.
Нововведение понравилось разработчикам и производителям звуковых систем. Подавляющее большинство выпускаемых ныне звуковых колонок имеют легко исполняемую в производстве, а потому недорогую пристройку в виде фазоинвертора. Даже очень дорогие акустические преобразователи динамического типа стоимостью несколько тысяч и более десяти тысяч долларов США содержат простой встроенный фазоинвертор. Отверстие порта дополнительного излучателя легко обнаруживается позади, снизу, сбоку, но чаще всего спереди прямоугольных корпусов; довольно часто оно имеет вид входа в скворечник.
Нелишне пояснить, что современный потребитель бытовой стационарной и мобильной радиоаппаратуры в основном слушает популярную музыку с упором на низкие частоты. Отдельным любителям хочется, чтобы от уханья басов вздрагивал даже корпус легкового автомобиля во время движения. Изготовители аппаратуры вынуждены идти по пути наименьшего сопротивления и потворствуют потребителю. Именно этим обстоятельством объясняется предрасположенность разработчиков и поставщиков к фазоинверторам и "басовитости" вообще домашних акустических колонок.
Акустики в течение многих лет усовершенствовали систему ЗК с фазоинверторами: разработаны методики расчетов, рекомендованы новые материалы, оригинальные формы резонирующих "горловин" (тоннельные, щелевые, конусные, экспоненциальные, "песочных часов" и др.). Однако не удалось справиться с основным недостатком акустического резонатора - фазовыми искажениями.
Фазовые искажения формы несинусоидальных сигналов не оказывают влияния на передачу основных тонов музыкального ряда, но приводят к нежелательной окраске звучания натуральных инструментов, искажениям в естественности их передачи. Порождаемые фазоинвертором фазовые сдвиги гармоник в сложных сигналах популярной музыки также приводят к отличиям, возникающим при воспроизведении оригинала, но они менее заметны, поскольку и так в достаточных объемах содержатся в исходных записях используемых исполнителями электроинструментов. Еще менее заметны фазовые искажения в акустических системах, передающих звуковые эффекты в аппаратуре домашних кинотеатров.
Любителям классической музыки и джаза, слушающим концерты в домашних условиях, известно, насколько достовернее и красочнее звучат натуральные ударные, духовые, струнные (контрабас) инструменты оркестров в звуковых колонках без фазоинверторов. Однако по ряду уважительных причин у многих владельцев домашней аппаратуры в пользовании находятся именно ФИ колонки, и не наступила пора их заменять. Специалисты по акустике и радиолюбители для повышения качества воспроизведения оригинала предлагают отверстия фазоинверторов закрывать самодеятельными поролоновыми, пенопластовыми или матерчатыми заглушками. И действительно, качество звучания музыки всех направлений улучшается. Попутно следует заметить, что такими заглушками отдельные фирмы даже комплектуют свои акустические изделия.
Многие любители отмечают недостаток громкости звучания низкочастотных составляющих у серийно выпускаемых DVD/CD дисков и других носителей, причем не только у популярных композиций, но и у произведений классичес кого жанра (например, оперы). Казалось бы, легко повысить громкость звучания инструментов "басовой" части оркестра (ансамбля) с помощью регулятора "громкость НЧ" усилителя. Но известно, что для качественного воспроизведения музыкального шедевра не следует нарушать балансировку усилителя, лучше держать в нейтральном положении регуляторы уровня НЧ и ВЧ. Получить независимое усиление низкочастотной части спектра музыкального сигнала помогают сабвуферы.
Активный сабвуфер представляет собой отдельное и самодостаточное устройство с мощным усилителем низкой частоты (УНЧ), динамической головкой и фильтром. Позволяет независимо регулировать уровень громкости по НЧ. Предложен был в свое время как дополнение к акустике домашнего театра для поддержки спецэффектов. Любители музыки поначалу восприняли сабвуфер недоверчиво. Сейчас же он является необходимой принадлежностью домашнего музыкального театра (ДМТ). В журнале впервые статья о сабвуфере применительно к ДМТ была помещена четыре года назад (см. "Наука и жизнь" № 7, 2001 г.). Там же предложены простые способы подключения его к домашней радиоаппаратуре; сейчас подобные схемы можно найти уже в эксплуата ционной документации. О том, что сабвуфер "не боится дифракции" и размещать его в помещении можно произвольно, журнал писал совсем недавно (см. "Наука и жизнь" № 3, 2005 г.). Согласование активного громкоговорителя НЧ со звуковыми колонками хорошо отлажено. Возникающие при этом фазовые искажения минимальны и не превышают имеющих место в ЗК без фазоинвертора. У сабвуфера легко получается взаимодей ствие по громкости с базовым УНЧ, который он не нагружает. Благодаря ему можно покупать менее габаритные полочные звуковые колонки, легко размещаемые в помещении и менее дорогие по сравнению с напольными. Выбирать сабвуфер следует также без фазоинвертора. Для нужд ДМТ достаточно одного прибора. Прослушивая разноплановые музыкальные композиции, приходится часто пользоваться его регулятором громкости, поэтому желателен аппарат с пультом дистанционного управления.
Совокупное объединение двух звуковых колонок с сабвуфером в музыкальной стереофонии получило наименование "трифоник". Сабвуфер имеет еще одно важное эксплуатационное достоинство - его всегда можно выключить, если кажется, что без него можно обойтись. При этом не нарушается способность аппаратуры к воспроизведению музыкального ряда и не надо производить переключений (перекоммутации) соединительных подводящих проводов.
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
HI-END - надуманный, рекламный слоган дорогостоящей домашней техники, никогда не получавший нормативной поддержки. Под аппаратурой "класса Hi-End" обычно подразумеваются комплекты или составные элементы эквивалентной стоимостью одна-две тысячи долларов США и более. Далеко не всегда декларируемые качественные характеристики компонентов соответствуют их высокой продажной цене. По прошествии времени и по мере снижения цен применение аббревиатуры исчерпывается в отношении серийной продукции, ранее ею помечаемой.
Импеданс, номинальный импеданс (полное сопротивление) - термины, характеризующие индуктивно-емкостные контуры и цепи электрорадиоаппаратуры. Считается: чем оно меньше, тем лучше. В какой-то степени термин рекламный. Например, у звуковой колонки с популярным "номинальным импедансом 8 Ом" можно ожидать оговоренной величины сопротивления лишь на отдельных участках АЧХ. Очень ярко использование термина иллюстрируется на примере зарплаты: она у всех номинальная и довольно редко совпадает с реальной.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. 1945 год; радиоприемник "Рекорд" производства Александровского радиозавода. В радиоприемниках применялся открытый корпус с большим количеством отверстий на задней панели, предназначенных не только для защитных и теплоотводящих целей, но и для улучшения акустики.
Илл. 2. Представленные А. Турасом чертеж и график к заявке на патентование фазоинвертора. Фазоинвертор поднимает низкие частоты, выравнивая амплитудно-частотную характеристику. На графике: 1 - расчетная АЧХ звуковой колонки без ФИ; 2 - расчетная АЧХ с ФИ; 3 - экспериментальная АЧХ с ФИ.
Илл. 3. Звуковая колонка производства английской фирмы REFERENZ, реализующая идею д'Апполито. Для повышения громкости звучания НЧ ленточный твиттер ВЧ расположен в середине между двумя парами СЧ и НЧ динамических головок и двумя портами фазоинверторов; габариты - 204x26x42 см, масса - 95 кг.
Илл. 4. Пластинки "легкой музыки" с такими этикетками, выпущенные на отечественных фабриках в тридцатые годы, можно было приобрести только в Торгсине (были такие магазины "для торговли с иностранцами") в обмен на лом драгоценных металлов. Ниже - этикетка грампластинки с записью выступления популярного в те годы джаз-оркестра Якова Скоморовского.
