Конструкция акустического оформления, дифракция и ступенчатая характеристика

Имеет ли значение форма корпуса колонки? Важен ли дизайн фронтальной панели?

Дизайн фронтальной панели (баффла) и форма корпуса играют далеко не последнюю роль в создании высококачественной акустики. Но давайте углубимся в тему, обратив внимание на то, что делают большинство производителей. Как правило, они выпускают корпуса классической прямоугольной формы. Означает ли это, что прямоугольник — идеал? Вовсе нет.

Прямоугольный корпус обладает неоспоримыми преимуществами: его проще изготовить, будь то массовое производство или работа энтузиаста в домашней мастерской. Кроме того, такая колонка легче вписывается в интерьер, становясь его органичной частью. Производителям приходится считаться не только с акустикой, но и с габаритами, и с визуальной эстетикой.

Безусловно, точный расчет внутреннего объема корпуса — задача первостепенная, однако внимание к мелочам — вот что в конечном счете обеспечивает выдающийся результат. Давайте разделим понятие «форма корпуса» на две составляющие:

Внутренняя форма. Параллельные поверхности внутри корпуса — это питательная среда для стоячих волн. Сделать корпус более асимметричным — значит минимизировать этот недостаток. Впрочем, и другие методы, такие как применение демпфирующих материалов, творят чудеса. Не менее важны и пропорции корпуса. Следите за тем, чтобы при делении его габаритных размеров друг на друга (высота/ширина или ширина/глубина и т.д.) вы не получали целого числа. Худшим выбором, например, был бы куб. Это делается для того, чтобы сместить резонансные частоты и снизить их негативное влияние.
Внешняя форма. Она напрямую связана с явлением дифракции звуковых волн на кромках корпуса — тем, что специалисты называют «краевой дифракцией». Именно этому феномену, который впустую растрачивает энергию динамика и вносит искажения в АЧХ, мы посвятим наш дальнейший, более детальный, разговор.

Что такое дифракция? $edge diffraction$

Дифракция происходит, когда звуковая волна встречает препятствие. Когда это происходит, звуковая волна искажается или ее направление изменяется. Происходит это по-разному, в зависимости от частоты звука. Разные частоты имеют разную длину волны. Если длина волны больше размера препятствия, она проходит через него, как будто его даже нет. Так что для низкочастотных динамиков дифракция не является большой проблемой. Для более высоких частот, которые имеют короткую соответствующую длину волны, дифракция может произойти и будет происходить.

Дифракция по краям – В этом рисунке объяснения дифракции мы видим, что динамик генерирует звуковые волны, и волны расширяются полусферическим образом. Когда волны достигают края дефлектора динамика, давление падает, потому что волны расширяются от половины пространства до полного пространства. Эта разница давлений создает еще одну звуковую волну, которая исходит от края корпуса и движется вперед. Эта волна будет иметь фазовые несоответствия с исходной волной, и она будет попеременно усиливать или ослаблять ее, вызывая рябь в частотной характеристике.

Звук излучается во всех направлениях, поэтому, когда он достигает края перегородки, он проходит более короткое или большее расстояние, в зависимости от того, в какую часть края он прибыл. Это важно, потому что каждая частота имеет свою длину волны, и когда она будет дифрагировать от края, у нее будут другие фазовые отношения с исходной волной.

Фазовая интерференция и краевая дифракция

Фазовая и краевая дифракция

Давайте рассмотрим, как расстояние от звуковой катушки динамика до края корпуса определяет характер искажений. Ключ к пониманию этого явления — фаза вторичной звуковой волны, рождающейся на кромке.

Деструктивная интерференция: ослабление звука.
Представьте, что расстояние от центра динамика до края панели в точности равно половине длины волны для некой конкретной частоты. Когда вторичная волна, порожденная дифракцией, добирается до слушателя, она оказывается сдвинута по фазе на 180° относительно исходной, прямой волны. Встречаясь, они вступают в противофазу — «пик» одной волны приходится на «впадину» другой. Это приводит их к взаимному гашению. Хотя подавление и не является абсолютным, на частотной характеристике неизбежно образуется выраженный провал. Тот же самый разрушительный эффект будет повторяться на всех дистанциях, кратных нечетному числу полуволн: полторы, две с половиной и так далее.
Конструктивная интерференция: усиление звука.
Теперь допустим, что это расстояние в точности совпадает с целой длиной волны. В этом случае фазовый сдвиг составит 360°, что эквивалентно нулевому сдвигу. Это означает, что вторичная волна придет синфазно с исходной. Их амплитуды сложатся, что приведет к резкому всплеску — усилению сигнала на этой частоте примерно на +3 дБ. Эффект повторится и на дистанциях, равных двум, трем длинам волн и далее.

А теперь вообразите паутину лучей, которые можно мысленно провести от центра динамика ко всем точкам кромки корпуса — каждый луч будет иметь свою уникальную длину. Затем вспомните, какое бесчисленное множество частот воспроизводит акустическая система, и каждая из них обладает своей собственной длиной волны.

Возможностей для совпадения этих длин волн с расстояниями до края в критических половинных или целых кратных — бесчисленное множество. В результате частотная характеристика динамика, вместо того чтобы быть ровной линией, покрывается целой «гребенкой» из многочисленных пиков и провалов — явление, которое специалисты метко называют «рябью» (ripple). Это и есть акустическая «тень», которую отбрасывает на звук сам корпус.

Влияние формы корпуса на дифракцию

Форма корпуса: между геометрией и звуком

Форма акустического корпуса — это не просто вопрос эстетики или удобства сборки; это фундаментальный параметр, напрямую влияющий на интенсивность дифракционных искажений. Сама природа дифракции, пагубно отражающейся на чистоте частотной характеристики, требует от нас свести ее проявления к возможному минимуму.

Чтобы проиллюстрировать эту зависимость, обратимся к классическому исследованию, проведенному несколько десятилетий назад Гарри Олсоном. В своей работе он подверг анализу двенадцать различных конфигураций корпусов, в некоторых случаях размещая динамики в нескольких точках фронтальной панели. Последующие замеры осевой частотной характеристики наглядно продемонстрировали наличие существенных вариаций в уровне звукового давления. Разброс результатов оказался весьма значительным: от почти безупречно ровного отклика до выраженных колебаний амплитуды, достигавших ±5 дБ.

Конструкция корпуса и фронтальной панели

Помимо экзотических форм, вроде двойной пирамиды, исследование Олсона рассмотрело и практичные конфигурации, сведя их влияние на АЧХ в наглядную таблицу вариаций звукового давления (SPL):

Сфера: ±0,5 дБ
Цилиндр: ±2 дБ
Прямоугольник со скосом: ±1,5 дБ
Прямоугольник: ±3 дБ
Куб со скосом: ±1,5 дБ
Куб: ±5 дБ

Как явствует из этих данных, сфера является акустическим эталоном — формой, вносящей минимальные дифракционные искажения. Однако технологическая сложность и высокая стоимость изготовления сферических корпусов объясняют их редкое применение на практике. Лишь немногие производители, подобные компании Morel с её моделью Soundspot, используют это преимущество в полной мере. Напротив, куб, что вполне ожидаемо, демонстрирует наихудшие результаты.

Примечателен тот факт, что даже простая фаска (скос) кромок способна радикально улучшить ситуацию, существенно снизив вариацию SPL и, как следствие, дифракцию. Впрочем, это не искупает иного, врождённого порока кубической формы — проблемы с резонансами панелей. Поскольку все стенки расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, их собственные резонансы на определённых частотах входят в синфазное сложение, заставляя корпус характерно «звенеть».

Таким образом, взвешенным компромиссом вновь выступает классический прямоугольник. Ключевой вывод заключается в том, что значительного подавления дифракции можно достичь простым скруглением или скосом передних рёбер. И если сфера по-прежнему остаётся недосягаемым монархом в этом царстве, то скошенный прямоугольник отстаёт от неё не так уж и сильно. Учитывая его неоспоримые преимущества — технологичность, простоту сборки и легкую интеграцию в интерьер, — он и утвердился в качестве наиболее распространённого и разумного выбора в мире акустики.

Расположение динамиков на фронтальной панели

Возникает закономерный вопрос: где надлежит размещать динамики на лицевой панели корпуса? И, что первостепенно, насколько существенен этот аспект в процессе проектирования? Следует понимать, что позиционирование излучателей непосредственным образом влияет на вариации звукового давления, формируя тем самым характер частотной характеристики.

Наблюдая за продукцией большинства производителей, можно отметить устоявшуюся тенденцию: излучатели принято располагать по центру горизонтальной оси, в то время как по вертикали классическая схема предполагает размещение высокочастотного динамика в верхней части, среднечастотного — в середине, а низкочастотного — в основании. Иногда встречается иная компоновка, где низкочастотный динамик занимает верхнюю позицию, образуя связку «вуфер-твитер».

Все излучатели стремятся сгруппировать как можно теснее, дабы минимизировать смещение акустического центра по вертикали. Примечательно, что часть этих решений продиктована не только акустическими, но и технологическими соображениями. К примеру, горизонтальная компоновка позволяет использовать идентичную конструкцию фронтальной панели как для правого, так и для левого канала. Если же высокочастотный динамик смещён от центра вправо в одном корпусе, для сохранения симметрии в другом его необходимо сместить влево — такая, зеркальная пара, в среде меломанов и инженеров именуется «зеркальными динамиками».

Для наглядности последствий различных подходов к размещению ниже представлена таблица, демонстрирующая вариацию уровня звукового давления для высокочастотного и среднечастотного динамика диаметром 4,5 дюйма в зависимости от их позиции на панели:

Как наглядно демонстрируют исследования, выбор точки размещения динамика на панели подобен тонкой настройке музыкального инструмента — он способен как преобразить, так и исказить итоговое звучание. Особый интерес представляет тот факт, что смещение излучателя от геометрического центра в горизонтальной плоскости зачастую способствует выравниванию АЧХ, повышая её линейность.

Наиболее впечатляющий эффект наблюдается при асимметричном расположении среднечастотного динамика, изначально находящегося в вертикальном центре панели. В этом случае можно добиться существенного улучшения — сглаживания характеристики примерно на 2 дБ. Однако в других конфигурациях акустическая отдача от подобного смещения оказывается весьма скромной. Именно поэтому в серийном производстве эта методика встречается нечасто — закономерность не носит универсального характера, а потенциальный выигрыш далеко не всегда оправдывает усложнение конструкции и отход от симметрии.

ступеньки баффла

Акустический порог: феномен «ступеньки баффла»

Когда динамик излучает звук, он создаёт сферическую волну, равномерно расходящуюся во всех направлениях. Однако сама фронтальная панель (баффл) становится для неё физическим препятствием. В результате идеальная сфера искажается: передняя полусфера распространяется свободно, в то время как задняя, наталкиваясь на панель, отражается и вынужденно присоединяется к прямой волне. Происходит своеобразное «сложение» звуковой энергии: волны, которые в свободном пространстве ушли бы назад, теперь конструктивно интерферируют с фронтальными.

Теоретически это приводит к увеличению амплитуды на +6 дБ. Может показаться, что сама конструкция корпуса магическим образом повышает эффективность динамика. Но это не совсем так. Данный эффект избирателен и проявляется отнюдь не для всех частот.

Ключ, как и прежде, в соотношении размера препятствия и длины звуковой волны.

Если размер баффла превышает половину длины волны определённой частоты, происходит её полная дифракция с отражением, и мы наблюдаем полный прирост.
Если же баффл более чем в 10 раз меньше длины волны, звуковая волна попросту не замечает его, и усиления не происходит.
В промежуточной зоне, где размеры препятствия соизмеримы с длиной волны, наблюдается частичная дифракция — степень усиления зависит от конкретной конструкции.

Практический пример
Представим динамик с шириной баффла в 10 дюймов (≈25.4 см).

Длине волны в 10 дюймов соответствует частота 1360 Гц.
Чтобы вызвать полную дифракцию, размер панели должен быть как минимум равен половине этой длины волны.
Таким образом, «пороговой» частотой, или «ступенькой баффла», становится 680 Гц.

Итог:

Частоты ВЫШЕ 680 Гц получают полное усиление (+6 дБ).
Частоты НИЖЕ 680 Гц — либо частичное усиление, либо не получают его вовсе, плавно сходя на нет.

Заключение

Заключение: искусство управления звуком

Дифракция, её краевые проявления и феномен акустической ступеньки — это не просто теоретические понятия, а фундаментальные аспекты, требующие самого пристального внимания при проектировании лицевой панели и корпуса динамика. Хотя степень влияния этих факторов может варьироваться, их понимание позволяет инженеру или энтузиасту принимать осознанные решения, тонко управляя характером звучания своей акустической системы.

В завершение, позвольте предложить свод практических рекомендаций, призванных минимизировать дифракционные искажения. Некоторые из них уже упоминались, однако собранные воедино, они образуют ясный план действий:

Методы снижения влияния дифракции:

Бесконечный акустический экран. Идеальным, хотя и абсолютно непрактичным решением, является установка динамика в бесконечную перегородку, либо в конструкцию, простирающуюся на 17 метров во всех направлениях (что исключило бы дифракцию вплоть до 20 Гц).
Оптимальная геометрия корпуса. Выбор сферической формы остаётся акустическим эталоном, сводящим дифракцию к минимуму.
Скругление рёбер. Закругление краёв фронтальной панели — это элегантный и технологичный компромисс, радикально улучшающий характеристики.
Асимметричное размещение динамика. Смещение излучателя от геометрического центра позволяет размыть и смягчить последствия дифракции.
Электронная компенсация (BSC). Учёт «ступеньки баффла» при расчёте разделительного фильтра. Специальная цепь, называемая компенсацией ступеньки (Baffle Step Compensation), позволяет скорректировать АЧХ, снижая уровень частот, расположенных выше пороговой отметки.
Зенковка динамиков. Утопление высокочастотного динамика, как это реализовано в моделях вроде M-Audio BX5, создаёт более плавный акустический переход и уменьшает площадь отражающей поверхности.
Демпфирование поверхности. Облицовка корпуса вокруг динамика звукопоглощающим материалом, таким как войлок, оказывает значительный положительный эффект, даже если это не всегда соответствует канонам эстетики.