Сравнительное тестирование стереоколонок Edifier и Microlab (апрель 2014)

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука , издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы - это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом - благодаря высокому уровню искажений, на втором - благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS (Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) 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 и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе - активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая .

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

АЧХ

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц - 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц - 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 - 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц - 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц - 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.

Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.

Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.

(Под катом — много картинок).

Подготовка

Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.

Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.

У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:

Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:

Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.

Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).

Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:

Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):

Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:

Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.

Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.

При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:

Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:

Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.

Измерения

Запускаем программу TrueRTA и видим:

Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).

Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).

Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:

Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:

Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.

Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.

Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10...0dBu:

Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.

Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.

Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.

Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:

Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.

Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:

Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):

Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!

На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет . (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).

Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?

Бонусные измерения

Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:

Существует много различных типов звукоизлучателей, однако наиболее распространены излучатели электромагнитного типа, или как их ещё называют, динамики.

Динамики являются основными конструктивными элементами акустических систем (АС). К сожалению, один динамик не способен воспроизвести весь слышимый диапазон частот. Поэтому для полнодиапазонного воспроизведения в акустических системах применяется несколько динамиков, где каждый рассчитан на воспроизведение своей полосы частот. Принцип работы низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) динамиков одинаковый, отличия заключаются в реализации отдельных конструктивных элементов.

Принцип работы динамика основан на взаимодействии переменного магнитного поля создаваемого током, протекающим по проводу магнитной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Несмотря на сравнительную простоту конструкции, динамики, предназначенные для работы в высококачественных акустических системах, имеют большое количество важных параметров, от которых зависит конечное звучание акустической системы.

Самым главным показателем, характеризующим динамик, является полоса воспроизводимых частот. Она может быть указана в виде пары значений (нижней граничной и верхней граничной частоты), или приведена в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Второй вариант является более информативным. АЧХ представляет собой графическую зависимость уровня звукового давления, создаваемого динамиком на расстоянии 1 метр по рабочей оси, от частоты. АЧХ позволяет оценить частотные искажения, вносимые динамиком в исходный сигнал, а также, в случае использования динамика в составе многополосной системы – выявить оптимальное значение частоты раздела разделительного фильтра. Именно АЧХ позволяет классифицировать динамик как низкочастотный, среднечастотный или высокочастотный.

Выбор низкочастотного динамика

Для НЧ динамиков, помимо АЧХ, существенной группой показателей являются так называемые Тиль-Смолл параметры. На их основе производится расчёт параметров акустического оформления для динамика (корпуса акустической системы). Минимальный набор параметров резонансная частота - fs, полная добротность - Qts, эквивалентный объём - Vas.

Тиль-Смолл параметры описывают поведение динамика в области поршневого действия (ниже 500Гц), рассматривая его как колебательную систему. Совместно с акустическим оформлением (АО), динамик представляет собой фильтр высоких частот (ФВЧ), что позволяет при расчётах использовать математический аппарат, позаимствованный из теории фильтров.

Оценка значений Тиль-Смолл параметров динамика, и в первую очередь, полной добротности Qts, позволяет судить о целесообразности применения динамика в акустических системах с тем или иным типом акустического оформления (АО). Для АС с акустическим оформлением фазоинверсного типа в основном используются динамики со значением полной добротности до 0,4. Стоит отметить, что фазоинверсные системы являются наиболее требовательными, с точки зрения проектирования, по-сравнению с АС, имеющими закрытое и открытое АО. Данная конструкция чувствительна к ошибкам, допущенным в расчётах и при изготовлении корпуса, а также при использовании недостоверных значений параметров НЧ динамика.

При выборе НЧ динамика большую роль играет параметр Xmax. Xmax показывает максимально допустимое смещение диффузора, при котором в зазоре магнитной цепи динамика сохраняется постоянное количество витков провода звуковой катушки (см. рис. ниже).

Для сателлитных акустических систем подойдут динамики с Xmax=2-4мм. Для сабвуферов следует применять динамики с Xmax=5-9мм. При этом сохраняется линейность преобразования электрических колебаний в акустические на больших мощностях (и, соответственно, больших амплитудах колебаний), что проявляется в более эффективном излучении низких частот.

Если вы приняли решение об изготовлении акустической системы «своими руками», перед вами неизбежно встанет вопрос о выборе фирменных комплектующих, в частотности динамиков. Не имея опыта эксплуатации продукции различных производителей иногда сложно сделать оптимальный выбор. Приходится руководствоваться множеством факторов, сравнивать по многим параметрам, не только имеющих отношение к паспортным характеристикам. Динамики АКТОН удачно дополнят вашу АС, поскольку, помимо высокого качества, обладают рядом преимуществ:

• имеют оптимальное соотношение цена/качество в своём сегменте;
• динамики специально разработаны для профессиональных АС, используемых для озвучивания социально-культурных мероприятий;
• для динамиков разработана документация по изготовлению корпусов;
• взаимодействие потребителя с производителем осуществляется напрямую без посредников, что позволяет избежать проблем с доступностью любых запчастей и комплектующих;
• информационная поддержка по вопросам конструирования АС;
• высокая надёжность работы динамиков АКТОН.

С модельным рядом динамиков АКТОН вы можете ознакомиться .

Выбор высокочастотного динамика

При выборе ВЧ динамика, по АЧХ определяют нижнюю частоту воспроизводимого им диапазона. Необходимо чтобы полоса частот ВЧ динамика несколько перекрывала полосу частот НЧ динамика.

Некоторые ВЧ динамики предназначены для работы совместно с рупором. В отличие от ВЧ динамиков прямого излучения (или, как их называют, твиттеров), рупорные ВЧ динамики, благодаря свойствам рупора имеют более низкую граничную частоту воспроизводимого звукового диапазона. Нижняя граничная частота такого ВЧ динамика может составлять примерно 2000-3000Гц, что позволяет во многих случаях отказаться от СЧ динамика в АС.

Из-за конструктивных особенностей, ВЧ динамики, как правило, имеют более высокую чувствительность, по сравнению с НЧ динамиками. Поэтому на этапе проектирования фильтра , в нём предусматривают цепь аттенюатора (подавителя), необходимого для понижения избыточного излучения, который приводит значения чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков к одинаковому уровню.

При выборе ВЧ динамика важно учитывать его мощность, которая выбирается исходя из мощности НЧ динамика. При этом мощность ВЧ динамика принимается ниже мощности НЧ динамика, что вытекает из анализа спектральной плотности звукового сигнала, соответствующей розовому шуму (имеющему спад в сторону высоких частот). Для практического расчёта мощности, рассеиваемой на ВЧ динамике в АС с частотой раздела 3-5кГц, можно воспользоваться калькулятором на нашем сайте.

Напомним, ВЧ динамики недопустимо использовать без фильтра высоких частот (ФВЧ), ограничивающего проникновение низкочастотной части спектра.

Факторы повреждения динамиков

В случае наступления нештатных режимов работы возможны механические и электрические повреждения динамиков. Механические повреждения возникают, когда амплитуда колебаний диффузора превышает допустимую амплитуду, которая зависит от механических свойств элементов подвижной системы. Наиболее критичная частотная зона для таких повреждений находится вблизи частоты механического резонанса динамика и ниже, т.е. там, где амплитуда колебаний максимальна. Электрические повреждения возникают в результате необратимого перегрева звуковой катушки. Наиболее критичная полоса частот для повреждений такого рода соответствует полосе, находящейся вблизи электро-механического резонанса динамика. Повреждения обоих видов наступают в результате превышения максимально допустимой электрической мощности, подводимой к динамику. Для того чтобы избежать таких последствий величина максимальной мощности нормируется.

Есть несколько стандартов, пользуясь которыми производители нормируют мощности своих изделий.Наиболее близким с точки зрения реальных условий в случае использования акустической системы для озвучивания массовых мероприятий можно привести стандарт AES. Мощность согласно этому стандарту определяется как квадрат среднеквадратического значения напряжения в определённой полосе розового шума, который динамик способен выдерживать в течении не менее 2-х часов, делённое на значение минимального импеданса Zmin. Стандарт регламентирует нахождение динамика в «свободном воздухе» без корпуса. Некоторые производители при испытаниях помещают динамик в корпус, приближая таким образом условия его работы к реальным условиям, что с их точки зрения, приводит к более объективным результатам. Известное значение мощности динамика служит ориентиром при выборе усилителя, мощность которого должна соответствовать значению мощности AES динамика.

Стоит заметить, что реальное значение мощности, подведённой к динамику, с трудом поддаётся оценке без проведения специальных измерений и может отличаться в широких пределах даже при одинаковой установке регулятора уровня громкости на устройствах звукового тракта.

На это могут оказывать влияние многие факторы, такие как:

• Спектр воспроизводимого сигнала (музыкальный жанр, частотный и динамический диапазон музыкального произведения, преобладающие музыкальные инструменты);
• Характеристики пассивных фильтрующих цепей и активных кроссоверов, ограничивающих спектр исходного сигнала, поступающего на динамики;
• Использование эквалайзера и других устройств частотной коррекции в звуковом тракте;
• Режим работы усилителя (появление нелинейных искажений и клиппирования);
• Конструкция корпуса акустической системы;
• Неисправность усилителя (возниконовение постоянной составляющей в спектре усиленного сигнала)

Следующие меры повышают надёжность эксплуатации акустических систем:

• Понижение верхней граничной частоты работы НЧ динамика, используя фильтр низких частот (ФНЧ). В этом случае ограничивается часть спектра сигнала, которая вносит существенный вклад в разогрев катушки;
• Ограничение полосы частот ниже частоты настройки фазоинвертора, используя цепи LOW-PASS (фильтр высоких частот). Данная мера ограничивает амплитуду колебаний диффузора за пределами рабочего диапазона АС со стороны низких частот, предотвращая механические повреждения НЧ динамика;
• Настройка ФВЧ ВЧ динамика на более высокую частоту;
• Конструирование корпусов АС, обеспечивающих наилучшие условия естественной конвекции динамиков;
• Исключение работы АС с усилителем, работающим в режиме нелинейных искажений, клиппирования;
• Предотвращение возникновения громких коммутационных щелчков, «заводки» микрофона;
• Использование лимитера в звуковом тракте.

Отметим, что акустические системы, которые используются для профессионального озвучивания (особенно в условиях дискотек) часто вынуждены работать на высоких мощностях. Во время работы нагрев звуковой катушки динамика может достигать 200 градусов, а элементов магнитной цепи - 70 градусов. Долговременная работа на предельных режимах приводит к тому, что динамики "горят". Это может быть вызвано превышением допустимой электрической мощности, подаваемой на динамик, а также неисправностью усилителя. Во многом, сохранность комплекта зависит от квалификации диджея. В связи с этим, какой бы динамик вы не выбрали, необходимо учитывать доступность ремкомплектов. При этом ситуация осложняется ещё и тем, что как правило единовременно сгорает не один динамик, а несколько, что выводит из строя весь комплект. Учитывая всё вышесказанное, заключим, что вопрос о сроках и стоимости поставки ремкомплектов также крайне важен на этапе выбора динамиков для АС.

Перед тем как подходить к обзору комбиков для игры на улице хотелось бы разобраться с главным. С тем, как формируется звук, который мы слышим?
Звук в процессе формирования проходит примерно такой путь:

Звукосниматель или микрофон --->
предварительный усилитель --->
эквалайзер / набор эффектов --->
усилитель мощности --->
акустическая система.

Акустическая система(динамик) у нас находится на выходе. И хотя на картинке спикер занимает очень мало места - он формирует звук, а значит, во многом и определяет.

Другими словами: если акустическая система хреновая, то какой бы сигнал высокого качества не шел с УМ, мы услышим то, что соизволит передать АС. Стоит отметить, что иногда производители портативных комбиков забывают об этом, устанавливая на свои конструкции совершенно посредственные динамики, которые просто не в состоянии сделать звук качественным и хорошо передать то, что вы играете. Этим недостатком грешат многие комбики.
Однако:

АКУСТИКА В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ ОПРЕДЕЛЯЕТ ЗВУЧАНИЕ СИСТЕМЫ!
И является наиболее важным ее компонентом.
Вообще странно, что в музыкальной среде идёт много разговоров о , дереве и гитарах, наборах эффектов, пред. усилителях и усилителях мощности, проводах, но о динамиках и акустических системах упоминается очень мало.
Для меня же этот вопрос встал, прежде всего, когда стал разбирать проблемы плохого звучания портативной аппаратуры. Основная беда – маленькие невнятные, дешевые динамики с плохой чувствительностью.

В начале 90-х, когда Hi-End впервые стал появляться в России, имела место быть замечательная эмпирическая формула о распределении ресурсов. Выглядела она примерно так: 50% - акустика, 10% - все кабели, 40% - источник и усилитель.
И это в целом верно, т.к. именно правильно выбранная акустика является первоосновой, вокруг которой можно строить свою систему и получить качественный звук.

И так, давайте перейдём к динамикам:

Основные части динамика - магнит, катушка, мембрана(диффузор), рама(корзина, диффузородержатель). Основными составными частями, влияющими на звук, параметры, конфигурацию - назначение являются первые три.
Также хочется упомянуть сразу о параметрах, которые на динамиках указываются и по которым их можно выбрать. (А уж вникнем в суть каждого из них и как каждая часть динамика влияет на него - чуть позже.)

ПАРАМЕТРЫ ДИНАМИКА:

«Чувствительность» - это стандартное звуковое давление (SPL), которое развивает громкоговоритель. Оно измеряется на расстоянии 1 метр при подводимой мощности 1 Ватт на фиксированной частоте (обычно 1 кГц, если в документации на динамик не указано особо).
Чем выше чувствительность акустической системы, тем более громкий звук она способна выдать при заданной подводимой мощности. Имея АС с высокой чувствительностью, можно иметь не слишком мощный усилитель, и напротив, чтобы «раскачать» АС с малой чувствительностью, потребуется усилитель большей мощности.
Численное значение чувствительности, например, 90 дБ/Вт/м, означает, что эта АС способна создать звуковое давление в 90 дБ на расстоянии 1 м от динамика при подводимой мощности 1 Вт. Чувствительность обычных АС лежит в пределах от 84 до 102 дБ. Условно чувствительность 84-88 дБ можно назвать низкой, 89-92 дБ - средней, 94-102 дБ - высокой. Если измерения проводятся в обычном помещении, то к прямому излучению АС примешивается звук, отраженный от стен, повышая уровень звукового давления. Поэтому некоторые компании указывают для своих АС «безэховую» (anechoic) чувствительность, измеренную в безэховой камере. Понятно, что безэховая чувствительность - более «честная» характеристика.

«Диапазон воспроизводимых частот» указывает частотные границы, в пределах которых отклонение звукового давления не превосходит некоторых пределов. Обычно эти пределы указаны в такой характеристике, как «неравномерность АЧХ».

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика динамика.
Показывает уровень звукового давления динамика в зависимости от воспроизводимой частоты. Обычно представленна в виде графика. Вот пример АЧХ для динамика Celestion Vintage 30:

«Неравномерность АЧХ» - показывает неравномерность амплитуды в диапазоне воспроизводимых частот. Обычно от 10 до 18 дБ.

(Поправка - да, ± 3дБ - это характеристика АС, необходимая для более «честного» воспроизведения сигнала в указанном диапазоне.)

«Импеданс»(СОПРОТИВЛЕНИЕ) - полное электрическое сопротивление динамика, обычно 4 или 8 Ом. Некоторые динамики имеют импеданс 16 Ом, некоторые - не стандартные значения. 2, 6, 10, 12 Ом.

«Номинальная электрическая мощность» RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) - постоянная долговременная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение продолжительного периода времени без повреждения подвеса диффузора, перегрева звуковой катушки и других неприятностей.

«Пиковая электрическая мощность» - максимальная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение короткого времени(1-2 секунды) без риска повреждения.

Теперь можно рассмотреть, как каждая из частей динамика влияют на параметры динамика и на звук - в целом. :) Но об этом в следующих статьях.

Другие параметры динамика – такие, как размер и материал мембраны. И их влияние на свойства и звук. Рассмотрим в другой статье.

Кирилл Труфанов
Гитарная мастерская.

Согласно «законсервированному» ГОСТу (16122-78), акустическая система любого типа характеризуется такими показателями, как чувствительность, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в этом диапазоне. На что обращать внимание в первую очередь? И все ли можно поверить алгеброй?

Чувствительность измеряется при подведении к акустической системе синусоидального напряжения амплитудой 1 В некой частоты, при этом микрофон располагается на расстоянии 1 м. Тогда, измеряя развиваемое звуковое давление последовательно, шаг за шагом во всем слышимом диапазоне частот (по умолчанию 20–20000 Гц), получим АЧХ по чувствительности.

Диапазон воспроизводимых частот определяется на основе полученной АЧХ. Например, если в области низких частот глобальный спад начинается на 100 Гц, достигая на 60 Гц, скажем, –40 дБ, то нижняя граница рабочего диапазона находится исходя из некого спада, задаваемого правилами, принятыми в той или иной стране. Таким образом, в нашем примере нижняя граница злополучного диапазона может быть 80 Гц, а может 70 Гц, тут уж как правила потребуют.

Неравномерность АЧХ вычисляется подобно среднеквадратичному отклонению в математической статистике, то есть сначала оценивают среднее значение амплитуды в пределах частотного диапазона, а потом прикидывают болтанку кривой АЧХ вокруг полученного среднего. Чем больше неравномерность, тем хуже. В идеале АЧХ представляет собой прямую линию без наклона, однако в реальном мире ничего идеального не существует.

Использование АЧХ, измеренной по чувствительности, удобно для оценки неравномерности, но совершенно неприемлемо при сравнении акустических систем, имеющих разное электрическое сопротивление, которое, в свою очередь, зависит от частоты. Как следствие разного сопротивления, акустические системы потребляют разную мощность при подведении равного напряжения (соотношение между мощностью, сопротивлением, силой тока и напряжением можно найти в учебнике физики). Другими словами, среднее значение амплиутды «по чувствительности» для таких акустических систем будет, мягко говоря, «кто в лес, кто по дрова». Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) при измерении АЧХ требует подводить не напряжение, а электрическую мощность, равную 1 Вт. Излучать же акустическая система будет иную (звуковую) мощность, грубо говоря, в соответствии с «персональным» КПД на разных частотах.

Замечу, что понятие «заморской» чувствительности несколько отличается от доставшегося нам со времен СССР. Чувствительность «по-ихнему» измеряется в децибелах (дБ), а «наша» - в паскалях (Н/м2). Нетрудно пересчитать из нашей относительно стандартного нулевого уровня звукового давления (210–5 Па).

Отдельного упоминания требует оптимальность разрешения по частоте, или, упрощенно говоря, шага между измеренными точками АЧХ. Пыльные от времени узкоспециализированные измерители стандартно-гостированной АЧХ выполнены на аналоговой базе и проходят частотный диапазон со скоростью, увеличивающейся по мере роста частоты. Таким образом, получают зависимость от частоты, близкую к логарифмической. У «аналоговых» АЧХ разрешение на низких частотах хорошее, на высоких - плохое (там скорость пробегания слишком высока, чтобы регистратор успевал дотошно фиксировать амплитуду сигнала с микрофона). Скоростной график определяется утвержденными правилами, ну и динамическими возможностями аналоговой аппаратуры, конечно. Продвинутые АЧХ сегодня вычисляются посредством специальных звуковых анализаторов, в которых уживаются как высокоточная цифра, так и малошумный аналог. Высококачественные звуковые анализаторы, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, умопомрачительно дороги. Далеко не всякая российская фирма может себе позволить измерительный анализатор, выложив за него столько же, сколько за новехонькую иномарку. Для полноты картины упомяну цену измерительного микрофона с предусилителем (в комплект анализатора не входят): в две тысячи вечнозеленых еще уложиться надо. Зато хитроумная методология измерения позволяет в большинстве случаев обойтись без акустически заглушенной камеры, поскольку стоимость последней для измерения АЧХ акустических систем просто разорительна. Разрешение по частоте у таких анализаторов превосходит требуемое по действующим на сей момент правилам, впрочем, предусмотрена возможность варьирования, так сказать, в исследовательских целях. Кстати, частота изменяется линейно (!), что дает массу преимуществ, а затем анализатор пересчитывает накопленный массив в логарифмическую шкалу для отображения на стандартизованном графике.

При программной симуляции получения АЧХ на компьютере (с помощью звуковой карты) сигнал задающего генератора заменяется смоделированным в цифре сигналом. Как правило, используют скользящий тон (sweep tone), плавно пробегающий все звуковые частоты. В смоделированном сигнале частота звука возрастает практически идентично классическому измерителю АЧХ. Данный цифровой сигнал проигрывается в реальном времени (без пауз), а ЦАП аудиокарты выдает аналоговый сигнал, который поступает (через усилитель) на колонки; далее звук, излучаемый колонками, регистрируется через микрофон с предусилителем и записывается посредством АЦП той же звуковой карты. Ясно, что карта должна быть реально полнодуплексной, чтобы одновременно (на самом деле, с задержкой) озвучивать и записывать. Каждый преобразователь, усилитель и микрофон (а равно и помещение как акустический резонатор) имеет свою АЧХ, поэтому для получения корректной характеристики собственно колонок должны быть идеальными либо АЧХ всех преобразователей, либо все отклонения нужно учитывать. Записываемый в цифре сигнал тут же обрабатывается программой, которая может выдавать изменение во времени либо пиковой магнитуды, либо среднеквадратичной мощности записанного сигнала. А поскольку заранее известно, как изменяется частота в этом сигнале, то АЧХ вроде бы уже в кармане. Однако чтобы корректно определить и пиковую магнитуду, и среднеквадратичную мощность, надо задать интервал времени, в течение которого эти штуковины будут вычисляться. Задашь малый интервал - получишь АЧХ, близкую к реальной, но искаженную всякими нехорошими неровностями. Задашь большой интервал - получишь АЧХ, и близко не имеющую ничего общего с реальной, зато гладенькую, легко интерпретируемую даже чайником. Причем в случае фиксированного интервала наибольшая погрешность от причесывания-выравнивания будет выплывать по мере логарифмического роста частоты. Ясно, что для улучшения разрешения по частоте придется удлинять моделируемый сигнал, а это приведет к нарушению «гостированных» правил измерения АЧХ.

Есть еще одна тонкость. Любое физическое устройство обладает задержкой отклика во времени. В частности, диффузор динамика колонки не может мгновенно реагировать на возмущения. Чем больше масса диффузора и жестче его подвес, тем реакция потенциально хуже. Посмотрите «под лупой» на отклик микрофона во времени, например, на ударное воздействие, и вы увидите весьма непростой переходной процесс. Несмотря на отмеченные проблемы, программная симуляция позволяет вычислять АЧХ довольно близко к стандарту, но сейчас речь об ином. Похоже, стандартик-то устарел! Конечно, можно продолжать все лучше программно имитировать доисторические аппаратные измерители АЧХ, однако давайте зрить в корень. Увеличивая разрешение по частоте, получаешь четкое объяснение тому, над чем десятки лет ломали копья многочисленные интерпретаторы АЧХ.

Самое сложное и коварное кроется вот в чем. Как известно, невозможно в принципе точно определить частоту и время одновременно (так называемая неопределенность Гейзенберга). То есть, чтобы определить значение частоты, необходимо наблюдать сигнал в течение достаточного промежутка времени. Чем больше этот промежуток, тем точнее можно определить частоту, и наоборот. А так как в тестовом sweep-сигнале частота постоянно меняется, то погрешность будет тем меньше, чем медленнее нарастает частота. График изменения значения частоты известен точно, поскольку заложен в программную процедуру генерирования тестового сигнала или звукового файла. Последнее дезориентирует. Частоты в регистрируемом микрофоном сигнале поплывут относительно смоделированного и озвученного сигнала из-за многочисленных промежуточных преобразований. Так что опять приходим к необходимости замедления изменения частоты в sweep-сигнале.

Вместо тестового сигнала скользящего тона частенько используют белый шум. И для динамиков безопаснее, и с точки зрения обработки проще. Но… Тут опять есть свои «но». Для разложения зарегистрированного сигнала в спектр применяется процедура быстрого преобразования Фурье (FFT). Чтобы минимизировать погрешности случайной природы, приходится проводить усреднение результатов FFT, получаемых в разные моменты времени. Чем больше спектров усредняется, тем меньше погрешность вычисления АЧХ. Чтобы улучшить разрешение по частоте, увеличивают длину временного окна для FFT, то есть увеличивают объем выборки. В стремлении получить высокое разрешение на низких частотах объем выборки задирают за 65536. Однако на низких частотах динамики озвучивают составляющие белого шума с заниженной акустической мощностью. А это приводит к неправдоподобным завалам на низах у такой АЧХ.

Наконец, АЧХ можно получить, генерируя дельта-импульс и вычисляя модуль комплексного FFT от регистрируемой передаточной функции. Тут придется подбирать интервал повторения импульса, чтобы усреднением спектров минимизировать погрешности. По ряду причин этот метод больше подходит для АЦП, нежели для акустических систем.

Нетрудно догадаться, что три перечисленные выше характеристики представляют собой стационарные оценки, то есть не учитывают динамику акустической системы. «Вот где собака порылась!» Эксперты (как талантливые самоучки, так и заносчивые снобы, вылупившиеся из богатеньких меломанов) сплошь и рядом пытаются однозначно интерпретировать зигзаги АЧХ, подглядывая в чужие шпаргалки и руководствуясь собственными слуховыми ощущениями. Интерпретация - занятие неблагодарное, поскольку АЧХ двух акустических систем могут походить друг на друга как близнецы-братья, а звучать эти системы будут по-разному. И не факт, что одинаково звучащие колонки во всех случаях будут иметь АЧХ как две капли воды. Увы, строгой однозначности здесь нет. Тогда получается, измеряемые АЧХ никому не нужны и ничегошеньки не говорят? Нет, это не так. Просто следует помнить, что стандартная АЧХ - всего лишь условное упрощенное отражение реальности (в своем роде срез грубого слепка), хотя и выполненное строго по неким правилам, замечу, тоже условным. Иногда близость полученной АЧХ к АЧХ истинной очень хорошая, а иногда, увы, очень плохая. Зарубим себе на носу: хотя АЧХ и есть результат объективных оценок-измерений, но ее трактовка - дело субъективное. Типа «закон, что дышло. Куда повернул, туда и вышло». Другими словами, график гостированной АЧХ сродни сообщениям об ошибках, выдаваемых нынешней Windows: ложное сообщение или нет, полная дурь или случайная смесь правды и кривды, определить может только опытный специалист.

Сами производители акустических систем втихаря используют динамические характеристики (например, основанные на wavelet-преобразовании), чтобы разобраться и понять, что и как улучшать в своих колонках. Покупателям же показывают по старинке лишь характеристики стационарные, то бишь замороженные во времени. Причем зачастую очень грамотно облагороженные и причесанные, чтоб у людей, непосвященных в тайны конкретных колонок, лишних вопросов не возникало.

Что касается активных акустических систем, то в отличие от пассивных, задачка усложняется, так как к динамике (поведению во времени) колонок добавляется динамика встроенного усилителя. А у последнего, как и у любого неизмерительного усилителя, коэффициент нелинейных искажений разный на разных частотах и уровнях мощности.