Звук наизнанку

Начать обзор акустику, строго говоря, следовало бы как раз с этой статьи, но... Так уж получилось, что теоретические аспекты, связанные с акустическими системами, мы рассмотрим лишь после выхода шести частей обзора.

Устройство динамической головки
Для начала рассмотрим общее строение основного элемента любой акустической системы – динамической головки. Конструкция простейшей динамической головки представлена на рисунке 1. Основными её элементами являются:
1. Диффузородержатель (его ещё называют «корзиной»);
2. Диффузор;
3. Подвес;
4. Центрирующая шайба;
5. Магнит;
6. Звуковая катушка.
Наряду с конструкционными и геометрическими параметрами динамической головки существуют и электромеханические параметры. Универсальный их набор был предложен Н. Тилем и Р. Смолом. Этот набор позволяет полностью охарактеризовать динамическую головку и спроектировать для неё оптимальное акустическое оформление. Примерами таких параметров являются: эквивалентный объём, полная добротность, собственная резонансная частота динамика и т.д.

АЧХ
Логичнее всего начать подробное рассмотрение с амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Именно в погоне за ней, а точнее – за её ровностью, производители акустических систем и простые любители качественной музыки идут на все мыслимые и немыслимые ухищрения.
Амплитудно-частотная характеристика в общем случае представляет собой графическую зависимость уровня звукового давления от излучаемой частоты во всём диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей электрического синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. Идеальный вариант – АЧХ представлена горизонтальной линией (во всём диапазоне воспроизводимых частот создаётся одинаковое звуковое давление). Но в реальности добиться такой характеристики у акустических систем почти невозможно.
При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем она больше, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Диапазон воспроизводимых частот
Производители акустических систем, как правило, приводят в документации ещё одну величину – FR (Frequency Response, диапазон воспроизводимых частот), который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. В идеале он должен представлять собой прямую горизонтальную линию, на практике же – чаще всего похож на параболу (см. рис. 2).
Давайте рассмотрим пример. Допустим, производитель заявил для своей акустической системы диапазон воспроизводимых частот 30-20000 Гц АЧХ (+/- 3 дБ). Это значит, что у данной АС в указанном диапазоне частот звучание будет достоверным, а ниже 30 Гц и выше 20 кГц – неравномерность резко увеличивается и АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики). Уменьшение уровня низких частот определяет потерю сочности и насыщенности басов. Подъём в области НЧ вызывает ощущения бубнения динамика – бас становиться вялым. В провалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъёмы же ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков, хорошо знакомых всем владельцам недорогой акустики.
У мультимедийной акустики величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi и Hi-End акустики. Следовательно, к «психологическим атакам» производителей, заявляющих, что колонки могут работать в диапазоне 30-20000 Гц, нужно относиться с изрядной долей скептицизма – за всё время тестирования не было ни одного комплекта акустики, которому бы покорилась планка хотя бы в 40 Гц, не говоря уже про 30 Гц. Обычно при указании диапазона 30-20000 Гц, не указывается неравномерность АЧХ, которая может достигать при этом воистину «лошадиных» размеров.

Нелинейные искажения
Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал, прошедший весь звуковой тракт, на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из наиболее явных и простых в измерении являются искажения гармонические (THD, Total Harmonic Distortion, коэффициент гармоник). Они возникают от добавления к первоначальному сигналу лишних гармоник вследствие нелинейности характеристики вход/выход. Эти паразитные гармоники придают звучанию новый тембр и ведут к невосполнимым потерям в звуке.

Нелинейные искажения измеряются подачей синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц. При помощью специального фильтра в звуковом сигнале находят лишние гармоники и определяют их мощность.
В отечественных стандартах наряду с коэффициентом гармоник измеряется также коэффициент нелинейных искажений. Эти коэффициенты, в общем случае, не совпадают. Чем больше величина коэффициента THD или КНИ, тем хуже качество звучания.
THD (КНИ) динамических головок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала, так что сравнивать акустику лишь по приведенным коэффициентам не имеет смысла. Особенно это относиться к мультимедийной акустике, у которой THD либо вообще не приведён, либо его значение взято «с потолка».

«Мощность»
Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «силу звука» или звуковое давление, создаваемое акустической системой. Как ни странно, такое понимание смысла этого параметра сидит в сознании, наверное, 99% пользователей. Они отождествляют «мощность» акустики с «громкостью» точно также, как название фирмы «Xerox» – с копировальными аппаратами. Мол, чем больше мощность, тем громче будут звучать динамики. Однако, это распространенное мнение верно только с некоторыми оговорками. Далеко не всегда динамик, к которому подведена мощность в пару киловатт, будет играть громче или качественней того, к которому подведена мощность «всего» в 100 Вт (пример такого случая будет приведен во второй части статьи).
Сразу необходимо расставить все точки над i, и разграничить два типа мощности. Первая имеет непосредственное отношение к динамической головке и является, прежде всего, мерой его механической надежности. Вторая – это мощность усилителя, который подаёт сигнал на динамическую головку. Эти величины, как правило, различаются: мощность усилителя должна быть меньше мощности динамической головки.
Значение допустимой мощности для динамической головки говорит не о возможно достижимом звуковом давлении, а, как я уже сказал, о механической надёжности акустики. К примеру, производитель указал номинальную мощности динамической головки (её же с натяжкой можно назвать среднеквадратичной мощностью) в 30 Вт. Это значит, что при подведении сигнала такой (или меньшей) мощности динамическая головка не получит механических повреждений вследствие критического разогрева межвиткового короткозамкнутого провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п., и будет нормально функционировать.
Теперь разберёмся с мощностью усилителя (обычно в разговорах об акустике имеют в виду именно её). Эта величина напрямую не влияет на звуковое давление, хотя определённая зависимость между ними всё же имеется: при увеличении мощности подводимого сигнала в два раза звуковое давление возрастает на 3 дБ, то есть тоже примерно в два раза. Отсюда и идут все заблуждения.

Измерение мощности
Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Давайте рассмотрим общепринятые стандарты измерений.
RMS (Root Mean Squared, среднеквадратичное значение). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Для недорогой акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi динамиками значения RMS (в ваттах) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях (часто – до 10%). При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке.
PMPO (Peak Music Power Output, пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного (длительностью менее 1 секунды) синусоидального сигнала с частотой ниже 250 Гц (обычно – 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. К примеру, мощность динамика равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит о том, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения PMPO называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения могут достигать нескольких киловатт. Представьте себе: маленькие динамики диаметром 10 см играют от «копеечного» усилителя, имеющего электрическую мощность 15 В*А, и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).
Наряду с мировыми существуют и отечественные стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими до сих пор ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. В этих стандартах дано определение таким понятиям, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. В мировой практике эти стандарты не используются.

КПД
Даже самые лучшие динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания всего лишь 1-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала. То есть из каждой подведенной сотни ватт с пользой будут использованы только 1-2 Вт (а у большинства динамиков – и того меньше), остальная же мощность рассеивается в виде тепла.

Продолжение следует...


Рекомендуем почитать: