Мониторинг. Урок 11. Исходные данные для поиска нового высококачественного среднечастотного рупора

В предыдущий раз обсуждались некоторые сильные и слабые физические стороны рупоров в сравнении с прямыми излучателями. В следующей за этой статье будут описаны испытания и прослушивания, проведенные с целью определения причин этих слабых и сильных сторон. А вот сегодня мы сможем проследить ход мыслей на том этапе, когда тесты с прослушиванием только-только начинались. Так мы сможем в более четкой перспективе увидеть значение результатов этих тестов.

1. Свойства рупоров

В основном рупоры делаются с упором на высокий коэффициент полезного действия и необходимую направленность. Непосредственно для обнаружения явлений, происходящих со звуковой волной внутри рупора, делается сравнительно мало, также как мало делается и для определения зависимости между этими внутренними явлениями и звучанием самого рупора. Имея в запасе очень широкий модельный ряд рупоров, необходимо было попытаться сопоставить их физические характеристики, математические и геометрические свойства, а также материалы и методы крепления с определенными желаемыми или нежелательными особенностями звучания. При разработке рупора специально для студийного мониторинга необходимо более детально рассмотреть следующие аспекты: 1) направленность: сужение луча, возникновение лепестков, «постоянная направленность»; 2) геометрия: дифракция, радиальные, многоячеечные, составные разработки; 3) искажения; 4) окраска звука: отражения, вихревые проблемы, препятствия на пути волны, пути распространения волн; 5) влияние формы поперечного сечения: степень расширения, квадратные или круглые раструбы; 6) материалы рупора: практичность, их влияние на звучание; 7) взаимосвязь между физическими и акустическими свойствами, расстояние между мембраной и раструбом; 8) влияние резких изменений поперечного сечения, изменения скорости распространения.

Направленность всегда была главным критерием при создании рупоров. Сначала требуется добиться желаемого горизонтального и вертикального углов в характеристике направленности, потом как можно точнее выдержать этот идеал во всей необходимой полосе частот. Одним из наиболее гибких методов достижения этого требования является применение многоячеечного рупора. Он представляет собой кластер, состоящий из похожих между собой малых рупоров, собранных вместе и направленных так, что весь кластер целиком покрывает всю необходимую зону озвучивания. К недостаткам данного метода можно отнести «лепестки» диаграммы направленности на высоких частотах, т.е. когда возникает сужение направленности каждого отдельно взятого малого рупора. Например, кластер из восьми мини-рупоров может обеспечивать довольно цельную диаграмму характеристики направленности на нижних частотах, т.к. на этих частотах площади раструбов хорошо суммируются. На высших частотах в диаграмме возникает восемь лепестков или «пальцев», которые более заметны на близком расстоянии от кластера и менее заметны на удалении. Еще одна проблема многоячеечного рупора состоит в сложности выбора подходящего перехода от одного компрессионного драйвера к множеству горловин мини-рупоров.

Причин окраски звука и искажений существует множество, и именно сведение к минимуму этих двух явлений для разработчика рупоров является самой сложной задачей. Стало привычным при оценке рупоров полагаться на измерения амплитуды давления, хотя в основном главным источником «окрашивания» остаются различные фазовые искажения. Как только удастся понизить эти искажения до уровня высококачественного конического или купольного громкоговорителя, от рупора с компрессионным драйвером можно ожидать превосходства над большинством других высокомощных среднечастотных излучателей по очень многим параметрам. Зона горловины очень чувствительна, любое резкое изменение поперечного сечения рупора в этом месте скорее подходит для пистолетного глушителя, чем для системы плавной передачи звука, но именно в этой зоне у многих широко используемых студийных рупоров встречаются серьезные нарушения непрерывности. Для получения высококачественного рупора нужно иметь один-единственный компрессионный драйвер, мембрана которого производит один-единственный когерентный волновой фронт в горловине рупора. Этот волновой фронт должен иметь возможность свободно выйти из горловины и рассеяться по комнате настолько плавно, насколько вообще возможно. Зачастую целостность этого волнового фронта нарушается абсурдными изменениями поперечного сечения как в горловине, так и в раструбе рупора. Ситуацию еще более отягчают различные препятствия внутри рупора, будь то секционные разделители или демпферы, волноводы или другие подобные решения. В модели одного достаточно уважаемого производителя можно встретить расположенную на оси рупора круглую укрепляющую стойку. Я видел также серьезные разработки, где в горловине рупора имелись углубления под крепежные болты! Отражения от подобных препятствий, равно как и вызываемые ими резкие изменения поперечного сечения создают множество путей распространения звуковых волн в направлении раструба. Некоторые составляющие волн могут даже развернуться на 90 градусов и рассеять свою энергию о стенки рупора, никогда так и не достигнув комнаты. Когда звук достигает уха слушателя, эти отражения, поглощение стенок и многообразие путей распространения волн приводят к фазовому хаосу. Именно эти недостатки являются причиной окрашивания звука и интермодуляционных искажений. Форма расширения самого рупора также серьезно влияет на тональный баланс звучания. Но все же при создании подавляющего числа рупоров первоочередным критерием, скорее всего, была характеристика направленности, а не само звучание рупора. На многих дорогих и высококачественных рупорах можно встретить драйверы с двухдюймовым выходом. Благодаря прогрессу в материалах и конструкциях стало возможным «растянуть» частотные характеристики таких драйверов до 20 кГц и выше главным образом за счет эквализации, что привело к конфликту интересов. Коммерческая тенденция состоит в жесткой эксплуатации этой широкой частотной характеристики драйвера путем подгонки рупора под постоянную ширину характеристики направленности на все более и более высоких частотах. Акустическая же реальность утверждает, что в горловине диаметром 2 дюйма умещается примерно три длины волны на частоте 20 кГц. Если нужно обеспечить 125 дБ на расстоянии в 1 метр, то звуковое давление в горловине рупора достигает таких уровней, при которых вследствие свойств сжимаемости воздуха дальнейшее распространение волн в рупоре сопровождается нелинейными искажениями. Лично мне кажется, что 1-дюймовая (25-мм) горловина на 20 кГц – примерно 3/4 длины волны – это максимальные диаметр и частота с точки зрения хорошо контролируемого, натурального и неокрашенного звучания. Горловина должна перетекать в геометрию расширяющейся части рупора очень плавно, а затем раструб должен мягко передавать волну давления в объем помещения с минимальной интерференцией и с максимально возможным постепенным переходом.

2. Найти правильный подход

Я посчитал, что единственно верным подходом будет, во-первых, найти излучатель с хорошим звучанием, во-вторых, используя научные методы, понять, почему он хорошо звучит, и, в-третьих, раскрыть значение каждого из этих параметров и применить их практически в будущих разработках. Мартин Колломс в своей книге «High Perform-ance Loudspeakers» в главе «Оценка громкоговорителей» приводит очень веские доказательства слабой связи между измеримыми нелинейностями и субъективным качеством звучания акустических систем. Автор также настаивает на прослушивании каждой проектируемой модели акустической системы на каждом этапе конструирования. Только ухо можно считать наивысшим судьей, ведь оно соединено с самым совершенным компьютером на земле – человеческим мозгом! Исследования проводились по математическому, численному, теоретическому, практическому и аудиологическому направлениям. Кроме того, существенное внимание уделялось взаимосвязям этих дисциплин, а таких взаимосвязей существует множество.

3. Практические исследования

1 K. R. Holland, F. J. Fahy, C. L. Morfey and P. R. Newell, `The Prediction and Measurement of the Throat Impedance of Horns`. Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol II, Part 7, pp.247-254 (1989)

2 K. R. Holland, F. J. Fahy and P. R. Newell, `Axisymmetric Horns for Studio Monitor Systems`. Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol 12, Part 8, pp. 121-128 (1990)

Результаты измерения и слуховая оценка короткого, быстро расширяющегося рупора стали для нас откровением. Измерение импеданса горловины показало, что от отражений раструба рупор практически свободен. Импеданс горловины приближенно повторяет амплитудно-частотную характеристику рупора, поскольку он характеризует ту нагрузку, которую рупор оказывает на мембрану драйвера. Необыкновенную плавность характеристики мы отнесли на счет высокой степени расширения данного образца, позволявшей рупору плавно «перетекать» в переднюю панель монитора без резкого изменения угла на краях. Это наряду с новой расчетной степенью расширения минимизирует фазовые искажения внутри рупора и позволяет фазовому фронту оставаться довольно когерентным по мере того, как волна покидает рупор и вливается в комнату прослушивания. Я начал думать о сходстве покидающих рупор звуковых волн с мыльными пузырями, которые ребенок пускает при помощи стержня с кольцом. Чтобы лучше проверить мою «мыльную» теорию, я изогнул куски проволоки по формам, напоминающим геометрии раструбов различных рупоров. Погрузив эти куски проволоки в мыльный раствор, я был не очень удивлен, обнаружив, что круглая форма дает самые большие и надежные пузыри. Во многих других формах пузыри разрывались, так и не покинув проволоку, в попытке оторваться от угловых участков. Довольно быстро стало очевидно, что любые границы, формируемые угловыми соединениями традиционных рупоров, делают передачу сферической/сфероидной секции расширяющейся волны из рупора в помещение очень тяжелой. Дополнительный и неожиданный бонус при выборе короткого осесимметричного рупора с высокой степенью расширения был в том, что с точки зрения звучания его можно смело использовать вплоть до частоты среза. Прежняя необходимость сохранять октаву запаса выше частоты среза была более не актуальной, так как новое осесимметричное устройство было практически свободно от недостатков вблизи этой частоты. Оно имело практически идеальный спад 12 дБ на октаву, и возник вопрос о возможности создания в будущем рупора, частота среза которого совпадала бы с частотой среза кроссовера, и о включении акустического среза в общий срез системы при подсоединении к этому кроссоверу. Первые же прослушивания показали, что рупор получился очень плавным, нейтральным и хорошо соответствует измеренным характеристикам. Было интересно отметить, что новый рупор звучал довольно похоже на «плавную» версию оригинального рупора ASS, который и вдохновил ранние исследования и рассуждения о сходстве акустики и аэродинамики. Кейт Холланд просто взял основные параметры нашего исходного рупора, развил их до необходимого нам уровня, и результат зазвучал как отшлифованная версия стартовой точки. «Рупор-мутант» звучал, как близкий родственник рупора, из которого эта концепция была унаследована. Несмотря на совершенно иной внешний вид по сравнению со своим предком, в звуковом смысле они остались представителями одного вида. Обезьяна не превратилась во льва, теперь это просто была другая обезьяна! С точки зрения звучания широко распространена идея о том, что рупор с заданной степенью расширения может быть любой желаемой формы, оказалась нежизнеспособной. Форма, похоже, играет важную роль в качестве воспринимаемого звучания рупора. Два рупора похожей формы, но имеющие степени расширения, отличающиеся в разные стороны от теоретической нормы, более склонны звучать одинаково, чем два рупора с одинаковой степенью расширения, но имеющие разную форму.

4. Материалы и конструкция

Хотя это практически не поддается измерению современными методиками, в деловой прослойке индустрии всегда существовало подозрение, что материал, из которого рупор сделан, может оказать существенное влияние на характер его звучания. Стоит вспомнить некоторые данные, касающиеся скорости звука в дереве, которые были измерены еще в XIX веке 3 : – береза: вдоль волокон – 3340 м/с, поперек волокон – 1840 м/с; – дуб: вдоль волокон – 3850 м/с, поперек волокон – 1540 м/с; – ясень: вдоль волокон – 4670 м/с, поперек волокон – 1400 м/с.

3 John Tyndall D.C.L., L.C.D., F.R.S., On Sound, sixth edition, Longmans Green and Co, page 40 (1895).

Как отмечалось ранее, влияние материала конструкции на звучание считалось очень важным, хотя книги в основном утверждают, что значение имеет только форма. При выборе материала наиболее желанной видится комбинация высокой плотности и высоких внутренних акустических потерь. Звучание металлических рупоров часто называют «слишком ярким» или «хрупким», хотя лично я сомневаюсь, что такую же характеристику можно было бы дать рупору из свинца (Pb). Очевидно, что в озвучании использованию свинца препятствовали такие факторы, как вес, стоимость и надежность при транспортировке. Деревянные рупоры вошли в моду в студиях в начале 1970-х годов. Похоже, что твердые породы дерева теперь уступают место фанере, да и сама фанера в последнее время тяготеет в сторону типов, выполненных из дерева высокой плотности. Приверженность Киношиты (Kinoshita) к фанере из японского апитонга – в противовес фанерам из других сортов апитонга – скорее всего, объясняется высокой плотностью вещества. В тяжелых акустических условиях концертного зала не так важны тонкие детали звучания, как легкость и надежность излучателей, так что студийная практика, как уже отмечалось, имела слишком слабую связь с прошлой историей развития рупоростроения. Поскольку большинство производителей рупоров являются коммерческими фирмами, а не филантропическими исследовательскими учреждениями, то для них исследования некоторых тонких аспектов поведения рупоров долгое время оставались коммерчески неоправданной идеей. Хорошо, что деревянные рупоры выглядят красиво, и это, несомненно, сыграло важную роль в их широком студийном использовании. Дерево также менее склонно «подзванивать» по сравнению с металлами, используемыми во многих рупорах. Так что использование фанеры в качестве строительного материала оправдывается ее относительно высокой плотностью и большими внутренними потерями. Когда рупор выполняется из толстого слоя материала высокой плотности, он сам по себе становится тяжелым, его сложно транспортировать. Я знал людей, вовлеченных в теорию рупоров, которые просто смеялись над идеей применения особых эзотерических материалов, но все же у меня чувство, что в этом что-то есть. Звук, проходящий через структуру рупора и складывающийся – пусть и на значительно меньших уровнях – с колебаниями, присутствующими в воздухе горловины, может обуславливать появление неравномерности и временного «смазывания». В многочисленных слоях шпона в фанере распространение звуковой волны затрудняется больше, нежели в аналогичном цельном куске однородного дерева. Имея современные деревообрабатывающие станки с программным управлением, делать осесимметричные рупоры из дерева вовсе не сложно, разве что дороговато по сравнению с другими материалами, такими, как, например, стекловолоконные пластики. Однако такие пластики, особенно если они обогащены минералами, по-прежнему имеют большой потенциал как материал для рупора. Другая наша основная доктрина, которая по-прежнему кажется мне правильной, – это философия коротких рупоров. Чем короче рупор, тем меньше времени звуковая волна проводит в рупоре. Это уменьшит время, которое звук находится под влиянием каких-либо присущих рупору ухудшающих факторов. Я не хочу сказать, что все короткие рупоры звучат лучше всех длинных; скорее «краткость» будет одним из свойств нашего «совершенного» рупора. Под словом «короткий» я имею в виду максимальное расстояние от мембраны до раструба в 12 дюймов. Очевидно, что такое ограничение длины рупора сказывается на размере раструба, а тот в свою очередь ограничивает степень расширения. Сделай мы размеры раструба больше, улучшится согласование с комнатой по нижним частотам, но тогда степень расширения будет настолько большой, что частота среза горловины существенно возрастет. Имея диаметр раструба 12 дюймов, дающий приемлемое согласование практически до частоты 1 кГц, мы получаем степень расширения с частотой среза горловины как раз в районе ниже 1 кГц. Зная о работоспособности новых моделей на частотах, близких к частоте среза, совпадение согласования раструба и частоты среза на частоте 1 кГц становится менее проблематичным, чем ожидалось ранее. В любом случае диаметр более 12 дюймов был бы слишком громоздким, потому что тогда затруднилось бы оптимальное расположение других громкоговорителей в системе. Также ухудшилось бы согласование между средне- и высокочастотными компонентами в системе, и тогда единственный выход – снабдить среднечастотный рупор большой «пулей» с высокочастотным громкоговорителем внутри. В разделе 1.3 (пункт 6) таблица первоначальных критериев дает 12 дюймов, как максимальный допустимый размер в одной плоскости, и это именно по причине необходимости четкого согласования с соседними громкоговорителями; размер должен быть менее одной длины волны на частоте деления кроссовера. Чтобы продлить действие направленности до верхних октав слышимого диапазона, необходимы такие решения, как волноводы или рупоры с составными степенями расширения, что противоречит нашему стремлению к «чистой» геометрии расширения. Если для чистоты звучания важен именно этот процесс «очистки», тогда – согласно нашему первоначальному критерию конструирования – три или четыре октавы по-прежнему остаются пределом частотного диапазона любого оптимального рупора. Я не думаю, что в ближайшее время возникнут конструкции рупоров высокого качества звучания, воспроизводящие шесть октав. Говоря это, я имею в виду, что лишь немногие громкоговорители прямого излучения могут похвастаться оптимальной работой в полном пятиоктавном диапазоне, так что я не вижу в этом ограничении каких-либо причин считать рупоры ущербными. Более того, законы физики электромагнитных преобразователей настолько различны на противоположных краях слышимого частотного спектра, что чрезвычайное расширение частотной характеристики – это последнее, что должно приходить в голову проектировщика, находящегося в поиске чистоты и точности звучания.

Редакция благодарит автора за любезно предоставленные материалы.