Двухполосные акустические системы в открытом оформлении

В последнее время у части радиолюбителей получили признание акустические системы с открытым акустическим оформлением — щиты или неглубокие открытые ящики. Выпущена даже промышленная акустика по такой схеме, получившая высокую оценку специалистов. На фото показана известная система Jamo R909.
Некоторые проблемы такого решения изложены в статье, мой перевод которой приведен ниже.

↑ Предисловие

В начале своей эволюции акустические системы (АС) были только открытого типа. Затем, постепенно, но практически полностью произошел переход на закрытое оформление. Закрытыми АС будем считать фазоинверторы, бандпасы и другие варианты, т. е. оформления при которых лицевая сторона диффузора динамика прямо излучает в помещение, а тыльная в закрытый объём ящика или в помещение, но через резонаторы или другие конструкции, затрудняющие движение воздуха.

Закрытые оформления позволили резко уменьшить объем АС, кардинально расширить частотный диапазон вниз. Промышленность практически полностью перешла на выпуск динамиков именно для закрытых оформлений. Выросли целые поколения, которые ничего кроме ЗЯ и не слышали. Однако немало людей думает, что «вместе с водой выплеснули ребенка» т. к. считает, что звучание средних, главных для восприятия частот, ухудшилось.

Поэтому среди радиолюбителей и некоторых производителей акустики снова появился интерес к открытым акустическим оформлениям (далее для простоты будем называть их ОЯ). Проблема еще и в том, что специальных динамиков для ОЯ сегодня практически не выпускают т. к. они пользуются малым спросом, мелкие фирмы могут их производить для любителей, но из-за малого тиража они будут дорогими.

Хочу предложить вашему вниманию мой вольный перевод статьи Martin J. King «Designing a Passive Two Way Open Baffle Speaker System». Думаю, поднимаемые проблемы и их решения будут интересны.

↑ Перевод авторской статьи

Поиск в Интернете покажет, что существует целый ряд коммерчески доступных АС в оформлении Open Baffle (далее для простоты – ОЯ), часто подключение динамиков в таких АС называют дипольным.

В наиболее совершенных и сложных конструкциях используют активные фильтры и эквалайзеры. Часто используют двух и более канальные усилители, работающие отдельно на свои динамические головки. Все это очень сложные инженерные проекты, которые позволяют при относительно небольших размерах лицевой панели получить удовлетворительный бас. Ключевым моментом в этих конструкциях является использование активных фильтров, нескольких усилителей и эквалайзеров для получения баса. Но есть и конструкции с пассивными фильтрами.

Самым известным примером такой АС ОЯ являются Jamo R909. Уверяют, что басы у них достигают 25…30 Гц.
Чтение описания Jamo R909 заставило задуматься, как использовать данную концепцию на доступных компонентах. В качестве первого шага я собрал свою конструкцию, используя некоторые из концепций, извлеченных из описания Jamo и руководства пользователя. Получилась очень скромная по цене пассивная дипольная АС. Данная конструкция и обсуждается ниже. Следующим логическим шагом может быть разработка большой трехполосной АС ОЯ с пассивными фильтрами.

↑ Самоделки в Сети

Поиск в Интернете самодельных конструкций ОЯ дает широкое разнообразие размеров, форм, количества и типов динамиков, используются пассивные или активные фильтры.

Одни используют метод проб и ошибок на практике, другие занимаются компьютерным моделированием с предсказанием АЧХ по звуковому давлению. Оба метода работают, и могут создавать готовые проекты АС. Для экспериментирующих самодельщиков очень привлекательно то, что макеты АС ОЯ можно легко, дешево и просто делать макеты из фанерок или картонок, прослушивать и делать акустические измерения, вносить изменения в конструкцию, отрезая куски или наращивая их кусками фанеры или картона.

АС ОЯ прощает большие ошибки в оформлении, но слабым местом является бас. Исправить недостаток баса можно с помощью дополнительного сабвуфера. При этом результаты воспроизведения басов будут достаточно предсказуемыми, особенно если измерить параметры T-S конкретной головки и воспользоваться компьютерными программами для изготовления корпуса сабвуфера.
АС ОЯ имеют свойство плавного спада низких частот, частота начала спада обычно определяется размерами лицевой панели и достаточно предсказуема.

Компромиссом между полностью экспериментальным методом и компьютерным моделированием являются такие программы, как EDGE. Программа EDGE помогает определить влияние размеров лицевой панели на формирование частотной характеристики на низких частотах. Но это только одна часть головоломки. Обычно другими частями головоломки пренебрегают, и акцентирует внимание исключительно на расчетах. На мой взгляд, иногда слишком много внимания уделяют кривым, которые выдают программы и забывают о факторах, которые программа не учитывает.

Мне очень нравятся широкополосные динамики и отсутствие фильтров в диапазоне средних частот, поэтому я собираюсь отдать им возможно более широкую полосу частот, добавив самые края диапазона пищалке и басовому звену. К сожалению, динамиков способных воспроизвести полный диапазон частот, да еще в открытом оформлении не существует (или они недоступны).
В то же время один хороший динамик может с высоким качеством полностью воспроизвести весь диапазон СЧ.

В данном проекте самые низкие частоты обеспечит низкочастотный динамик, частота раздела будет 100…200 Гц для широкополосной головки.

↑ Выбор динамиков

При проектировании многополосных АС ОЯ, с пассивными фильтрами, особое внимание должно уделяться максимально гладкой АЧХ по звуковому давлению. Выбор басового динамика зависит от размеров и формы лицевой панели, уровень звукового давления должен быть согласован с отдачей на средних частотах. Главным звеном является широкополосная головка, воспроизводящая самый важный диапазон — средних частот, остальные звенья подстраивают под неё.

Чтобы приступить к проектированию, надо сначала определить желаемый конечный результат. Для АС ОЯ спад баса будет с крутизной 18 дБ/октава. Он складывается из 12 дБ/октава для динамика и 6 дБ/октава для открытого оформления.


На рис. 1 показана АЧХ головки с отдачей 90 дБ/Вт/м, нижняя воспроизводимая частота которой 45 Гц по уровню -3 дБ. Широкополосная головка (ШП) в ОЯ должна обеспечить те же 90 дБ/Вт/м вдоль своей оси. ШП будет расположена примерно на уровне ушей сидящего слушателя. Задача состоит в том, чтобы разработать корпус, обеспечивающий ровный переход АЧХ от НЧ к ШП головке.
Отдача ШП должна лежать в диапазоне 88…92 дБ, многие головки с размерами 3", 4" и 5“ являются превосходными кандидатами для данной конструкции. В табл. 1 представлены некоторые подходящие головки фирмы Fostex.


Рассмотрев динамики, перечисленные в табл. 1, и учитывая, что будет отдельное басовое звено, чтобы исключить необходимость воспроизведения ШП головками самых низких частот, делаем вывод, что параметры T-S (Thiele/Small) ШП головок нас мало интересуют. Существуют три динамика из табл. 1, которые имеют отдачу 90 дБ/Вт/м. Поскольку стоимость также играла роль, для данного проекта я выбрал FE103E.

После выбора ШП и определения звукового давления, могут быть рассмотрены требования к басовому звену. Если бы басовый динамик был установлен в бесконечный щит, эффективности 90 дБ/Вт/м было бы достаточно. Но поскольку размер лицевой панели конечен и невелик, поддержка басовых частот приводит к требованию, чтобы отдача сабвуфера была выше 90 дБ/Вт/м. Для АС ОЯ с пассивными фильтрами это требование может быть удовлетворено применением нескольких НЧ динамиков или одного профессионального большого диаметра. Я выбрал второй вариант, большой диаметр обеспечит требуемую эффективность, снижение стоимости, и в конце концов, я полагаю, упрощение конструкции.

Для этого исследования я сосредоточился на трех динамиках Eminence, нередко использующихся в самодельных АС ОЯ. Все они имеют значительно большую чувствительность, чем 90 дБ/Вт/м. Их Thiele/Small параметры от производителя приведены в таблице 2.

Основное различие между ними в используемом магните. Его размеры прямо влияют на полную добротность Qts и цену головки. Минимальный магнит, цена и максимальная полная добротность у Eminence Alpha 15А.

Работа всех трех динамиков Eminence НЧ была смоделирована в сочетании с Fostex FE103E и пассивным разделительным фильтром. После многократного моделирования каждой конструкции, лучшей оказалась связка Fostex FE103E и Eminence Alpha 15А. При исследовании пришло понимание того, почему это получилось так. На рис. 2 показан окончательный макет лицевой панели для пары Fostex FE103E и Eminence Alpha 15А. Получилась панель размерами 20“ ширины и 38“ высоты. Центр НЧ находится в 10“ от пола. Правую и левую АС лучше сделать зеркальными.

На рис. 3 показано вычисленная АЧХ системы на расстоянии 1 м по оси. Красная кривая — результат расчетов, черная — целевая функция. Для расчетов взяты идеальные фильтры 2-го порядка, результат с реальными фильтрами будет показан позже. Другой интересной особенностью рис. 3 является отдача 92 дБ/Вт/м динамика Fostex FE103E.
Результаты моделирования показывают, что совпадение с требуемым результатом весьма хорошее.

↑ Как получить бас

Чтобы понять из чего и как складывается результирующий бас динамика в акустическом оформлении, надо найти составляющие влияющие на него, разделить их и исследовать каждую. Это поможет в достижении результата.

На рис. 4 показана АЧХ Eminence Alpha 15А в бесконечном экране (пунктирная синяя), в бесконечном экране с отражением пола (сплошная красная) и идеальная (сплошная черная), к которой мы стремимся. По сравнению с идеальной, рассчитанная для бесконечного экрана с отражением от пола, имеет подъём до +10 дБ на самых низких частотах. Другой интересной особенностью двух расчетных кривых является небольшая волнистость, которая начинается выше 100 Гц, это происходит из-за направленности излучения головки диаметром 15» и отражений от пола, напоминаем, что измерения делаются на высоте и в точке прослушивания. При изменении точки прослушивания (измерения), изменении установки высоты динамика от пола, АЧХ будет меняться. Не надо забывать, что параметры фабричных АС приводятся обычно в безэховой камере, где «нет пола».

На рис. 5 показано влияние идеальных фильтров низких частот (ФНЧ) 2-го порядка. Показаны рассчитанные АЧХ: головки в бесконечном экране с отражением пола из рис. 4 (пунктирная красная), ФНЧ 200 Гц (пунктирная синяя), результирующая (сплошная красная), и целевая (сплошная черная).

Графики, приведенные на рис. 6 имеют ряд интересных особенностей. Начнем с красной пунктирной линии, это АЧХ в бесконечном экране, как на рис. 5 с ФНЧ второго порядка на 200 Гц. Пунктирная синяя линия с учетом размеров реальной лицевой панели и расположения динамика на ней, аналогично программе EDGE. Сочетание этих двух кривых с учетом фазы, которое не показано, изображено сплошной красной линией.
Окончательный вывод: АЧХ низкочастотного звена с хорошей точностью соответствует заданным требованиям.
На рис. 6, обратите внимание на пересечение двух штриховых линий на 165 Гц. Ниже 165 Гц, именно ограниченная ширина лицевой панели препятствует «горбу» и позволяет достичь требуемой АЧХ. Это влияние позволяет увеличить эффективную частоту раздела примерно до 400 Гц. Основываясь на результате, показанном сплошной красной линией, ФВЧ частота для ШП может быть установлена (подобрана) выше, чем частота 200 Гц, используемая для ФНЧ.

Мы рассмотрели проект, оптимизированный для низкочастотного динамика Eminence Alpha 15А. Но в табл. 2 есть еще два подобных динамика с меньшим значением Qts.


На рис. 7 показаны АЧХ всех трех динамиков в одном акустическом оформлении и с одинаковыми фильтрами. Видно, что с уменьшением Qts ухудшается АЧХ и уменьшается отдача на низких частотах. Восстановить отдачу на низких частотах можно увеличив ширину лицевой панели (синяя пунктирная линия сдвинется влево). Затем, чтобы разгладить горб в области 100…200 Гц, нужно изменить (уменьшить) частоту ФНЧ. Получается, что более дорогие динамики, такие как Eminence Beta 15A и Eminence Gamma 15A с более низкими Qts (спроектированные для закрытых ящиков) для нашего проекта подходят плохо, требуют очень широкую лицевую панель, другую, более низкую частоту фильтра и, вероятно, будут работать хуже Eminence Alpha 15А.

Я часто слышал упреки в отношении относительно высоких значений Qts НЧ-динамиков в оформлении ОЯ — на басу переходные характеристики якобы будут «звонить“ и гудеть на одной басовой ноте.


На рис. 8 показаны импульсные характеристики всех трех Eminence в ОЯ. Видно, что в форме трех импульсов большой разницы нет. Единственная заметная разница в увеличении времени переходной характеристики с увеличением Qts, но так как диапазон частот Альфа 15А простирается ниже, он и должен иметь чуть более длительную переходную характеристику. Нет никаких доказательств чрезмерного звона басов от любого из этих трех динамиков.
Подчеркиваю еще раз, для ОЯ лучшее воспроизведение низких частот достигается при более высокой Qts Альфа15A.

↑ Работа во всём диапазоне частот

Рассмотрим работу во всем частотном диапазоне. Вне басового участка она определяется ШП головкой. ФВЧ используется, чтобы отфильтровать низкие частоты и связанные с ними большие колебания диффузора ШП. Чтобы понять влияние разных условий на АЧХ, рассмотрим разные варианты акустического оформления.

На рис. 9 показана, рассчитанная АЧХ ШП в бесконечном экране (синий пунктир), в бесконечном экране с отражение от пола (сплошная красная линия), и целевая АЧХ (черная линия). Рябь в сплошной красной линии — результат отражений от пола.

Рис. 10 добавляет влияние идеального ФВЧ 2-го порядка. Показаны: рассчитанная АЧХ в бесконечном экране с отражением от пола из рис. 9 (пунктирная красная линия), ФВЧ 500 Гц (синий пунктир), комбинированная АЧХ (сплошная красная линия), и целевая АЧХ (черная линия).

Рис. 11 добавляет влияние конечных размеров и формы лицевой панели. При суммировании АЧХ рис. 10 (красный пунктир), графика отклика лицевой панели (синий пунктир), получим результат (сплошная красная линия).

Еще раз обратите внимание на рис. 11 — горб от влияния лицевой панели (синий пунктир) используется для расширения полного спектра головки по частоте вниз. В результате горб снижает эффективную частоту фильтра около 400 Гц. Установив фактическую частоту разделения выше горба от лицевой панели, можно подогнать суммарную АЧХ ближе к требуемой.

↑ Схема пассивного фильтра

Как было написано выше, оптимальными при симулировании оказались ФНЧ 2-го порядка с частотой перегиба 200 Гц и ФВЧ 2-го порядка с частотой 500 Гц. В связи с влиянием лицевой панели, фильтры второго порядка фактически работают на частоте приблизительно 400 Гц. Фильтры и список компонентов для него приведены ниже в табл. 3 и схемах, на рис. 12.

Подставив в симулятор фактические номиналы компонентов фильтра, с учетом сопротивления катушек индуктивности постоянному току, получим окончательный результат, показанный на рис. 13.

Фактическая отдача увеличена до 91 дБ, синие пунктирные линии показывают отклонение + / — 2 дБ от этого уровня. Красной линией показан окончательный результат проекта.
Примерная стоимость компонентов проекта показана в табл. 4.

↑ Выводы

Самой большой проблемой для АС ОЯ, с пассивными фильтрами является достижение адекватного баса при разумных размерах лицевой панели. Для решения этой проблемы надо учесть, что динамические головки, корпус и фильтры представляют собой единую систему, которая должна быть оптимизирована для достижения поставленной цели. Я считаю, что низкая частота раздела поможет оптимизировать систему и избежать потенциальных проблем в области средних частот, очень важных для слухового восприятия. Поскольку оптимизация — комплексная проблема, зависящая от ряда факторов, при простой замене низкочастотных динамиков АС ОЯ нельзя делать окончательные выводы о пригодности того или иного динамика для АС.

Излучатель звука, корпус, и фильтр должны быть так подобраны, чтобы их комбинация обеспечила максимально гладкую АЧХ. Я считаю, что основной причиной слабого баса в открытых акустических системах с пассивными фильтрами является низкая полная добротность динамика Qts и/или неудачный подбор комплекта динамиков. Низкочастотный динамик должен иметь значительно более высокую отдачу, чем общая отдача всей АС, значительно выше, чем у среднечастотной головки, чтобы компенсировать спад низких частот.

Низкая добротность Qts усугубляет эту проблему. При низкой Qts требуется значительное увеличение ширины лицевой панели и/или изменение настройки фильтров. Динамик с высокой добротностью Qts будет иметь плоскую АЧХ на низких частот и будет совместим с лицевой панелью разумной ширины. Моя рекомендация заключается в использовании низкочастотных динамиков, отдача которых, по крайней мере, на 6…10 дБ выше, чем у остальных динамиков акустической системы и должна иметь Qts приблизительно 1,0…1,2.

Анализ открытой акустической системы Lowther подтверждает выводы сделанные выше. Lowther звучат отлично, но они огромны. Лицевая панель с крыльями имеет ширину 40“, высоту 60». Такая конструкция потребует двух НЧ-динамиков Eminence Alpha 15А и активного фильтра. Большие размеры ящика АС, несколько НЧ-динамиков и усилителей позволят достигнуть чувствительности примерно 98 дБ/Вт/м в системе Lowther PM2A. Под впечатлением от их звучания, я решил построить такую же АС в огромном корпусе с несколькими НЧ-динамиками, активным фильтром и несколькими усилителями. В процессе постройки я приобрел определенный опыт и пришел к выводу, что такое построение системы с позиции «грубой силы», не лучшее решение.

↑ Оригинал статьи

Designing a Passive Two Way Open Baffle Speaker System By Martin J. King, 09/15/07 (revised 09/17/07)
🎁 Otkrytye-kolonki-OB_Design.pdf  104.89 Kb ⇣ 81

Сайт-источник (En): Quarter Wavelength Loudspeaker Design by Martin J. King

↑ Мой комментарий к статье

Конечно, мнение автора статьи не является непреложной истиной и не претендует на окончательное и полное решение проблемы, однако, она представляет интерес для любителей, интересующихся акустикой. Я не гарантирую полную точность перевода, но надеюсь, что основные положения изложил правильно.

Вызывает скептицизм отсутствие измерений с помощью микрофона и именно в домашних условиях. Интересно было бы узнать впечатления независимых слушателей-экспертов не «обработанных» автором конструкции. Но это только мои мечтания.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации