Характеристики направленности
Как следует из теории акустики, идеальным источником звука является "точечный" излучатель, то есть такой излучатель, размерами которого по сравнению с длиной излучаемой им звуковой волны можно пренебречь. К сожалению, реальные акустические системы весьма далеки от такого идеального излучателя и, более того, имеют различную диаграмму направленности для разных частот звукового сигнала. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя определяется отношением длины волны излучаемого им звукового сигнала и геометрического размера (диаметра) диффузора громкоговорителя. Кроме того, диаграмма направленности в области совместного действия излучения двух громкоговорителей АС зависит от взаимного фазового сдвига их сигналов, определяемых схемой разделительного фильтра акустической системы.
Сегодня в «колонкостроении» существует два подхода, связанных с направленностью акустических систем. Приверженцы первого из них утверждают: система должна быть остронаправленной, для того чтобы исключить вредные отражения звука. По этой логике остронаправленные колонки обязаны доставить звуковую информацию точно в зону прослушивания без нежелательных «примесей» в виде отражений от стен и различных предметов. Общеизвестными примерами могут служить колонки, построенные на остронаправленных коаксиальных динамиках (Tannoy, KEF). Коаксиальные двухполосные излучатели представляют собой собранные на единой магнитной системе среднечастотный и высокочастотный громкоговорители. Купольная "пищалка" собрана на внутреннем керне магнитной системы и находится внутри конусного диффузора среднечастотного громкоговорителя, который является своеобразным рупором-звуководом для звуковых волн, излучаемых "пищалкой". Такие излучатели обладают рядом уникальных особенностей, заметно выделяющих их из массы других громкоговорителей. Во-первых, благодаря используемой конструкции, центры излучения ВЧ и СЧ-громкоговорителей находятся практически в одной точке, что исключает возникновение фазовых и временных искажений излучаемых ими сигналов. Во-вторых, так как излучение средних и высоких частот физически осуществляется из одной точки пространства (условно), излучатели типа Uni-Q имеют хорошую диаграмму направленности на этих частотах благодаря этим серьезным преимуществам, звучание акустических систем с коаксиальными излучателями характеризуется отличной локализацией источников звука в пространстве. В европейских колонках встречаются схемы D'Appolito, в которых твитер расположен между двумя одинаковыми НЧ/СЧ-головками, — это обостряет направленность на ряде частот, снижая количество звуковых переотражений от пола и потолка. В дорогих колонках подчас встречаются целые гирлянды твитеров, призванные ювелирно фокусировать высокие частотыДиаметрально противоположный подход — ненаправленные акустические системы, или акустика с круговой направленностью. Такие громкоговорители, в силу своей конструкции, в полной
|
|
|
Рис.18.16 Диаграмма направленности акустической системы в вертикальной и горизонтальной плоскости |
также повышенная «объемность» музыкального образа. Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 18.16), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат. При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты.
Разделительные фильтры
В акустических системах с электродинамическими головками для согласования их характеристик и диаграмм направленности используют разделительные фильтры. Кроме того, так как центры излучения этих громкоговорителей (примерно совпадающих с местом расположения звуковой катушки громкоговорителя) сдвинуты относительно друг друга (глубина СЧ- и особенно НЧ-громкоговорителя намного больше, чем у ВЧ- громкоговорителя), при расчете разделительных фильтров приходится учитывать необходимость коррекции возникающего при этом временного сдвига в излучаемой этими громкоговорителями звуковой волне с помощью фазокорректирующих цепочек. Уменьшение временной задержки в излучении различных громкоговорителей можно добиться и чисто конструктивными методами, смещая ВЧ- и СЧ-головку внутрь корпуса АС, например, используя наклонную переднюю панель акустической системы с "заваленной" назад верхней частью.
Что касается собственно самих разделительных фильтров, то их роль в современной АС существенно возросла. Это вызвано, с одной стороны, резким повышением требований слушателей к качеству звучания аудиоаппаратуры вообще и акустических систем в частности, а с другой стороны - возросшим качеством современных громкоговорителей. В этих условиях неоптимальное подключение громкоговорителей в акустической системе не позволит полностью реализовать потенциально высокое качество этих громкоговорителей. Поэтому разработчики современных фильтров для акустических систем учитывают при их проектировании не только требования обеспечить максимально плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в полосе пропускания фильтра, но и учитывают при расчете элементов схемы фильтра изменение комплексного сопротивления громкоговорителя на разных частотах, требования обеспечения заданной диаграммы направленности акустической системы на этих частотах и т.д. Все это стало возможным благодаря широкому использованию при проектировании АС численных методов компьютерного моделирования и проектирования.
В современных акустических системах используются как простейшие разделительные фильтры 1-го порядка, так и многозвенные фильтры 4-го и даже 6-го порядка. Достоинством разделительных фильтров 1-го порядка (применяются, как правило, только в двухполосных АС) является хорошая переходная характеристика акустической системы (фронты сигналов воспроизводятся без паразитных выбросов), недостатком - малая крутизна фильтра в полосе затухания (6 дБ/октава), в результате чего имеется широкий частотный диапазон совместной работы НЧ-и СЧ-громкоговорителей. Многозвенные фильтры высоких порядков обеспечивают существенно большую крутизну спада характеристики в полосе затухания (12, 18 и даже 24 дБ/октава), но имеют худшую переходную характеристику и волнистую АЧХ в полосе пропускания фильтра. В зависимости от критерия выбора аппроксимирующей АЧХ фильтра математической функции различают несколько типов разделительных фильтров.
Фильтры Баттерворта имеют линейную АЧХ в полосе пропускания фильтра, резко обрывающуюся в полосе затухания фильтра. Однако переходная характеристика таких фильтров носит сильно выраженный колебательный характер. Фильтры Бесселя также имеют линейную АЧХ в полосе пропускания и сравнительно резкий спад в полосе затухания. Однако благодаря линейной зависимости фазового сдвига сигнала в зависимости от его частоты переходная характеристика АС с такими фильтрами хотя и имеет выброс на АЧХ, но не имеет колебательного характера. Фильтры Чебышева имеют чрезвычайно резкий спад АЧХ в полосе затухания, однако АЧХ фильтра в его полосе пропускания носит волнистый характер. Наиболее сложные схемы разделительных фильтров включают в себя также специальные корректирующие цепи, которые компенсируют изменение импеданса громкоговорителя на разных частотах. В результате такой стабилизации импеданса условия работы разделительного фильтра существенно улучшаются, так как он нагружен на постоянный и согласованный с ним импеданс нагрузки (громкоговоритель). Поэтому параметры АЧХ фильтра получаются близкими к расчетным. В случае же работы фильтра на рассогласованную нагрузку значения параметров его АЧХ и ФЧХ становятся непредсказуемыми. Нет нужды говорить, что это губительно сказывается на качестве звучания АС.
Иногда в схему фильтра включают также специальные режектирующие цепочки с целью блокирования в фильтре сигналов на частоте резонанса громкоговорителя ,такие цепочки используют в фильтрах СЧ- и ВЧ-громкоговорителей.
Итак, как мы видим, в современных АС используются весьма сложные схемы фильтров, количество элементов в которых (особенно при встраивании в схему фильтра элементов защиты громкоговорителей) может достигать нескольких десятков. С другой стороны, многие высококачественные АС имеют простейшие фильтры 1-2-го порядка, состоящие всего из нескольких электронных компонентов.