Акустическое оформление трансмиссионная линия (TL). Попытка классификации

Статья не претендует на откровения, широту, глубину и прочее. Тем более, я не т.н. аудиофил или фанат колонко-строения, к моему искреннему сожалению, – просто люблю время от времени поэкспериментировать с изготовлением всего, что касается аудио-визуальной медиа среды. Вдобавок имею инженерное образование и кое-что все еще помню из Основ Теории Цепей.

Так что же отличает АО с использованием TL?

TL (Transmission Line) – «линия передачи», в общем случае, это устройство, направляющее поток распространения энергии в заданном направлении и, соответственно, ограничивая его в других. Т.е., другими словами, это устройство, предназначенное для передачи энергии вдоль/по линии.

Вид, тип, характеристики TL зависят природы/вида передаваемой энергии. Для электросвязи, радиотехники и пр. это провода, кабели, СВЧ-волноводы. Для акустики это, опять же волноводы, но уже акустические: трубы, каналы, а также пещеры, норы и прочие длинные тоннели и коридоры).

Для выполнения этой задачи нужны два компонента:

1. устройства и условия, ограничивающие «всенаправленную» передачу. Т.е. (соответственно) геометрия проводников, «стенки» электро-магнитных или акустических волноводов… кирпичные, бетонные, каменные стены. А также условие – поперечные размеры волновода были намного меньше длины волны колебаний передаваемой энергии (в виде токов/напряжений/напряженности электромагнитного поля давления/скоростей воздуха);
2. устройства и условия, при которых передача энергии происходит (преимущественно) в одном направлении: от начала (источника энергии-генератора, глотки орУщего, электродинами-ческой головки) к ее концу – некой нагрузки, включая наши уши. Это условие чаще всего называется согласованием нагрузки с генератором. И описывается просто – для оптимальной передачи энергии сопротивления генератора, линии передачи и нагрузки должны быть равны. Именно при этом условии вся энергия благополучно уйдет в нагрузку. В нашем случае, нагрузка для генератора-головки – это вся TL, а ее сопротивление – это т.н. сопротивление передачи (также известное как волновое). Сопротивление во всех частях/сечениях линии должно быть одинаковым. В противном случае энергия (или часть ее) отразится от участка рассогласования и начнет двигаться в обратную сторону (эти участки принято называть неоднородностями), и в результате за счет сложения бегущей и отраженной волны мы получаем стоячие волны. В конце TL так или иначе образуется нагрузка, даже если вы туда ее специально не установите. И нагрузка эта должна опять таки быть согласована с самой ТЛ. При этом крайними случаями рассогласования окажутся: КЗ – короткое замыкание и ХХ – «холостой ход». Во втором случае линия просто «обрывается». Правда это справедливо для линии электрической. Для акустического канала/линии – все как бы наоборот: КЗ – это открытая настежь дверь в конце коридора, противоположном тому, где мы стоим и голосим (правда размер «глотки» согласно п .1) будет конечно же сопоставим с самой дверью)) . Почему? Потому что «кинетическим рабочим телом» в электрике является ток, для которого «идеальный проводник» КЗ и есть. В акустике «рабочее тело» – воздух, для которого идеальная среда для распространения … наоборот полное отсутствие чего-либо на его пути.

В общем случае, эти самые стоячие волны – зло, т.к. они неминуемо дают характерные резонансные призвуки в виде бубнения. Но, если их правильно выбрать и задемпфировать, то можно получить существенную прибавку в отдаче на самых низких частотах. Или же разгрузить динамик на этих же частотах.

Никакой мистики и шарлатанства. В любой колебательной системе накапливается энергия (равно как и расходуется-диссипируется). И уже через один Т-период колебания вы можете получить (услышать!) эту самую прибавку в амплитуде. Отсюда же сразу очевидный минус такого подхода – принципиально затянутые атака/спад по сравнению с (условно) короткими АО.

Именно в том, что распространение звуковой энергии, получаемое в результате колебания задней стороны диффузора головки, в каком-либо одном направлении намного больше, чем в остальных, кроется фундаментальное отличие АО-TL от прочих. В любом «классическом ящике» это звуковое давление распространяется, условно говоря, одновременно до всех задних/ограничиваю-щих стенок. Т.е. практически во взаимодействие с ней вступает сразу весь объем АО! (точнее конечно не сразу, а со скоростью звука). И мы совершенно справедливо учитываем его целиком или как присоединенную массу или как добавочную пневматическую пружину. В случае TL звуковая волна распространяясь вдоль линии АО последовательно взаимодействует лишь с «порциями» объема, ограниченного стенками канала, трубы. Глубина этого взаимодействия определяется длиной волны. Иными словами, о том, что диффузор совершил поступательно движение весь воздух в камере обычного АО за головкой «узнает» практически одновременно и «сразу», а вот воздух «в конце тоннеля» через Lтл/Vзвука.

В случае установившейся стоячей волны продольные колебания воздуха происходят только между соседними узлами скорости (пучностями давления). И в этом случае динамик, установленный, предположим, в пучности, «видит» только 1-й ближайший к нему объем, ограниченный им самим и, соответственно, 1-м узлом (и только!) скорости (пучности давления)! Под него, по-видимому, и имеет смысл подбирать головку по Vас – ведь это случай именно идеального согласования пары генератор-нагрузка!

…по сути границы, между которыми только и происходит движение (колебание) воздуха

Здесь также сразу же можно вспомнить массу конструкций АО с вытянутыми по высоте корпусами, называемыми/считающимися как ЗЯ (при отсутствии отверстий-резонаторов), так и ФИ (при наличии оных). И да! TL в них тоже присутствует в виде «корпусных стояков», которые, кстати, часто придают звучанию колонки (привык с юности к этому слову) субъективно на удивление довольно приятную окраску.

Итак, TL определили и в самом общем смысле обрисовали. С этим «теоретическим минимумом» попробуем разобраться во всем разнообразием АО, в той или иной мере использующих TL. На мой взгляд, удобная классификация ТЛ может быть построена по тому, как используется (или не используется) энергия звуковой волны, создаваемая тыльной частью диффузора.

1. Энергия «тыльной волны» (не используется)

Т.е. не используется вообще: излучил тыльной стороной что-то динамик, и что с ЭТИМ стало потом, нам ни знать, ни тем более слышать, неинтересно. Ну это как вякнуть в глубокий-преглубокий пересохший колодец – настолько глубокий, что пока звук дойдет до его конца, да еще попробует отразиться от трухлявых и поросших мхом стенок и песка на дне, от него ничего и не останется. На мой взгляд, именно такому АО-ТЛ больше всего подходит название «лабиринт»*. Тут ведь все из названия- как в реальной жизни: зашел себе человечек в лабиринт … и больше его ни видели ни слышали(( – что нам и нужно (не по-человечески конечно, а «по-акустически»)). Что-то знакомое, правда? Ба! Да это ж почти IB (Infinity Baffle) в чистом виде! В обоих случаях динамик «не чувствует объем», находящийся за ним. С т.з. классической теории линий передач такой режим достигается в случае т.н. согласованной линии: энергия звуковой волны беспрепятственно распространяется от источника колебаний вдоль канала АО-TL нигде не отражаясь.

Если линия без потерь, то вся энергия ни разу не отразившись по дороге в конце концов доберется до некой согласованной гипотетической нагрузки- к примеру, некого «согласованного» человеческого уха)). Нам этого не надо, поэтому мы равномерно размещаем вдоль канала поглощающий материал, чтобы существенно сократить его длину и избавиться от необходимости какой бы то ни было нагрузки в конце.

Это, кстати, не мне первому пришло в голову. Вот выдержка из переписки с форума одного из самых известных адептов TL-строения Jon Risch:

Labirynth enclosure, one designed to totally lose and attenuate the back wave. Labirynth’s are not tuned, but made as long as possible, with the idea to prevent any back reflected energy at all, just total absorption.

True T-Lines (IMO) are indeed tuned, and are an attempt to mostly neutralize the driver resonance through acoustical loading, along the lines of a 1/4 wave tuned T-line, with enough damping to control the other even and odd line multiples, but not so much damping as to eliminate the 1/4 wave back loading on the driver.

For a true T-Line, there would be no attempt to utilize the line output in a bass reflex manner. Any actual acoustic output from the line would be incidental, and would usually end up re-inforcing the woofer output due to the relationships necessary to acheive the acoustic loading at woofer resonance in the first place…

Jon Risch

Упрощенный перевод:

(АО) Лабиринт проектируется так, чтобы полностью подавить и ослабить обратную волну. Лабиринты не настраиваются, а делаются как можно более длинными, насколько это возможно, чтобы полностью предотвратить появление любой отраженной энергии (волны) за счет полного ее поглощения.

А раз нет отраженной-обратной волны, то, согласно школьному курсу физики, нет и стояков- стоячих волн. Нет и резонаторов на этих стоячих волнах. Иными словами, Лабиринт в трактовке Jon Risch получается никакая ни разу не TQWP.

Ну и остальной перевод, чтобы два раза не вставать:

Настоящие (истинные) (ИМХО- Jon Risch ) TL действительно настраиваются, чтобы, главным образом, нейтрализовать резонанс драйвера посредством акустической нагрузки – ¼ волновой ТЛ с достаточным демпфированием для подавления (контроля) остальных четных и нечетных кратных волновых резонансов, но не настолько большим, чтобы полностью исключить нагрузку на драйвер обратной ¼ стоячей волной.»

«В настоящих (истинных) TL выход линии (выхлоп) не используется подобно ФИ АО. Любой «выхлоп» линии будет побочным, в конечном счете, усиливающим излучение самой головки за счет акустической нагрузки, обеспечивающей резонанс драйвера, в первую очередь.

К сожалению, исторически в общепринятой практике лабиринтом называют практически любое АО с любым длинным извилистым каналом в качестве акустической нагрузки. Наиболее известный (мне) пример истинных лабиринтных АО из именитых производителей:

Рис.1 – знаменитый Bowers & Wilkins Nautilus:

Рис. 2 – он же, «в девичестве» (на этапе ОКР):

Итак, первые определившиеся:

* красными стрелками условно показаны направления и интенсивность потоков энергии звуковых волн

Таким образом, если вы приверженец IB, лабиринтная ТЛ – достойная, достаточно компактная альтернатива. Лабиринтное АО по сути представляет собой бесконечное пространство… в виде бесконечного туннеля.

Если же конечно у вас получится сделать ее (ТЛ) идеальной …или хотя бы приличных размеров)) На практике чаще всего имеет место «обрезанный», псевдо-лабиринт: или ТЛ недостаточной длины для полного поглощения обратной звуковой волны или имеющей на своем конце некий «выхлоп»-отверстие для «остатков», условно не слышимых. В обоих случаях линия перестает быть согласованной, и мы, так или иначе, «слышим эту несогласованную нагрузку» – и непосредственно через динамик (влияние обратной волны теперь уже отраженной от конца ТЛ) и через отражения «выхлопа» от окружающей обстановки. Кроме того, источником этой нежелательно, «паразитной» обратной волны внутри ТЛ могут быть т.н. неоднородности линии передачи – резкие изменения распределенных параметров ТЛ. Например, в результате неравномерной ее набивки, резкого изменения сечения или геометрии канала. Кстати, по поводу «плавности» изгибов я бы поспорил, по крайне мере, экспериментально проверил*

Сильно подозреваю, что у давления, воздушной массы «нет глаз» чтобы увидеть всю красоту и тщательность, с которой мы «сгладили» этот крутой поворот! Чтобы ее «разглядеть», длина волны должна быть соизмерима с размерами/ «геометрией поворота». И давлению-пучности волны абсолютно наплевать в отрезке/фрагменте сосуда какой формы и кривизны повышать (понижать) свое значение … Думаете оно «разглядит» любовно выточенный брусочек шириной в 5 см? Или вы всерьез хотите сделать согласованную TL и на 500 и на 1000 Hz?! Чтобы от них как от стенки горох звук отражался на крутых поворотах точно следуя вдоль? Конечно же «фигурные бруски» повышают жесткость корпуса – в этом, безусловно, польза есть)). Для добротности/потерь эти «скругления» конечно же значение имеют –полагаю, там возникают локальные завихрения как …в глушителях )) Да и прикинуть/вымерить длину TL как-то понятнее идя по «скругленному форватеру» – как еще их там, эти резкие повороты/«закутки» считать/учитывать? Т.е. получается, вы сначала «вылизываете» вашу TL скругляя повороты, тем самым повышая добротность (много-частотного) резонатора, а потом заполняете ее демпирующим материалом, чтобы загасить верхние моды, тем самым опять понижая добротность. Смысл? Хотя возможно вы так хорошо знаете акустическую жизнь своей TL – где, на каком расстоянии, в каком закоулке возникают совершенно ненужные, вредные резонансные «разговорчики», что непременно уложите демпфер именно и только в этих местах дабы подавить на корню только эти и никакие больше верхние моды. Тогда – да, вылизывайте!))

Собственно, мое знакомство с «самопальной» акустикой именно с такого недо лабиринта и началось. Ниже иллюстрация из книги В.А. Васильева «Зарубежные радиолюбительские конструкции», 1977, это реактивный поток, конструкция фирмы Akai SW-30.

Именно такую я и соорудил лет этак 40 назад. Пришлось верх чуть приподнять, да в ширину «расширить» – использовал головки 4ГД-35 (пока все не пережег). Материал – ДСП, оббивка – поролон. Инструменты – пила, ручной лобзик, напильник, клей казеиновый, шурупы, терпение и терпение. До сих пор на ходу на головках 10ГДШ-2-4.

И да – у нас в СССР тоже похожие делали – 6АС-508 Лабиринт:

Подытоживая сказанное в предыдущем абзаце, энергия звуковой волны от тыльной стороны диффузора таки начинает использоваться. И тогда мы переходим ко второму классу ТЛ.

2. Энергия «тыльной волны» (используется)

Как мы уже только что видели, эта энергия может ощущаться как непосредственно через отверстие – «выхлоп» на конце ТЛ, так и через головку, получившую себе в акустическую нагрузку резонатор-трубу.

Отсюда новая подклассификация:

2.1 АО-ТЛ, которые используют акустическую нагрузку – трубу-резонатор только для повышения отдачи на низких частотах самой головки. «Выхлоп» в таких конструкциях – неизбежное зло, его куда-нибудь стараются направлять вниз в сторону противоположную ушам слушателя… или утыкАть в подходящий ковер на стене. Конструкции на рисунках выше (кроме, разумеется, на рис.1 и 2) – типичные представители этого класса.

2.2 АО-ТЛ, которые заточены на эффективное использование (излучение) тыльной волны. Здесь опять начинается раздолье, в зависимости через ЧТО и КАК тыльная волна доберется до «выхлопа» ТЛ – ее выходного порта. Если целиком и не отражаясь по дороге (почти как в лабиринте), то получаем:

2.2.1 АО-ТЛ – обратный рупор. Собственно, рупор – это частный случай ТЛ – линии передачи с параметрами, меняющимися по определенному закону. И если в составе АО-TL только рупор и этот рупор сделан правильно, то в нем также НЕТ отраженной волны, НЕТ стоячих волн и опять же НЕТ TQWT!

Если же появляются отраженные (обратные) волны, следовательно, и стоячие волны, то получаем…

2.2.2 АО-ТЛ с излучением обратных стоячих волн

И опять же новое разнообразие. В зависимости от того, как будет сформирован «выхлоп».

2.2.2.1 «Стандартный/классический выхлоп» – АО-ТЛ с выходным портом площадью, соизмеримой/равной площади сечения основного канала ТЛ. Вот здесь, собственно, и сосредоточено основное количество многообразных TQWP/ TQWT/ /P.Voight Pipe конструкций.

А что будет, если порт превратить в щель и сильно «заузить»? – получим всего на всего … «реплику» ФИ на месте порта. И плавно перейдем к еще одному подвиду:

2.2.2.2 АО-ТЛ+ФИ. Сюда, как ни странно, можно причислить огромное количество АО с сильно вытянутыми корпусами и портами ФИ. Высота таких корпусов уже становится соизмеримой с длиной волны низкочастотного диапазона (соответственно, и с её долями ¼, ½.. ).

И, по-хорошему, такое АО нужно было бы и соответственно обсчитывать – не как «чистый» ФИ (=Vзя+порт – читай резонатор Гельмгольца в «чистом» виде), а как ТЛ+порт – т.е. как ТЛ с вносимым портом акустическим сопротивлением на ее конце (ФИ). Или как комбинация «большой» ТЛ с подстыкованной к ней сверх-короткой ТЛ-ОЕ малого диаметра.

Как только в длинном вытянутом корпусе появляются стояки на определенных (резонансных) частотах весь объем ЗЯ распадается на отдельные объемы-участки от узла до узла (давления стоячих волн) и ФИ будет взаимодействовать на этих частотах только с ближайшим к нему объемом.

Думаете не реально такое обсчитать? Отнюдь. Для звукопроводов в общем случае – это стандартный и, самое главное, точный подход. Рисунок из главы №7 «Теория звукопроводов», стр.147, Курс лекций по теории звука, Ржевкин С.Н. – дальше я буду на него частенько ссылаться). В нашем случае, звукопровод – это ТЛ и есть):

Я не выделяю здесь как-то по-особенному АО-ТЛ со «смещенным на 1/3» динамиком (показан пунктиром на соответствующих рисунках). В моем понимании, это АО-ТЛ с дополнительным ТЛ-резонатором. Другими словами, вся ТЛ становится комбинацией из двух ТЛ- с открытым концом ОЕ и с закрытым концом СЕ. Об этом самым подробным образом будет изложено ниже в следующих главах.

ТЛ и ФИ – разница в процессах в портах «выхлопа» TL и ФИ

Если ТЛ-труба не расширяющаяся (не обратный рупор, не труба Войта с относительно широким устьем), то в открытом конце TL происходит, в основном, отражение (звуковой волны), т.к. длина волны значительно больше диаметра порта. В ФИ совсем другой процесс – там имеет место колебание/перемещение «туда-сюда» небольшой массы воздуха в порту болтающейся на «пружине» другой, бОльшей массы воздуха всего объема АО-ФИ (разумеется, если он не сильно вытянут). Можно сказать и так: весь объем АО-ТЛ – это единый резонатор с рассредоточенными параметрами, а АО-ФИ, это резонатор у которого кинетическая часть сосредоточена в порту, а потенциальная – в остальном корпусе. Но есть и общее: в обоих случаях мы не можем рассчитывать на полноценную отдачу от порта – если мы одномоментно заберем всю энергию от колебательного процесса, то сам процесс этот тут же и закончится. Поэтому, полагаю, и там и там нет жесткого требования куда этот порт направлять – воперед, назад, в пол и т.д.

Что получилось в итоге:

Автор: Казаков Виктор
[email protected]