Вариовент и переходные процессы в громкоговорителях

Одним из очень важных показателей работы динамической головки громкоговорителя (динамика) на ряду с векторной точностью (соответствие полученного фронта импульса формообразующей исходного сигнала) и амплитудной точностью, охарактеризованной АЧХ динамика, в моем понимании, очень важное значение имеет и переходной процесс – возврат подвижной системы после импульсного воздействия в исходное состояние. В этом процессе возврата и установления в состояние покоя диафрагмы динамика участвует как минимум ☺ три составляющих.

1

Механическая упругость подвеса излучающей диафрагмы, которая суммируется из упругости подвеса (сурраунд) и центрирующей шайбы (спайдер). Эти две пружины в сумме образуют механическую упругость подвеса и от соотношения этой упругости и массы подвижной системы зависит как быстро подвижная система вернется к начальному положению. Так как масса подвижной системы инерционная, то процесс установления представляет собой апериодические колебания, где подвижная система в течение некоторого времени с убывающей амплитудой перемещается как выше нулевого состояния так и ниже. Чтобы сократить время таких колебаний, в подвес вводят дополнительные потери на трение в материале подвеса, которые работая как амортизатор гасят энергию колебаний, за счет чего уменьшается время и амплитуда этих самых апериодических колебаний и улучшаются переходные характеристики системы в целом.

1.1

Отрицательной стороной такого метода компенсации колебаний переходных процессов является необходимость затрат энергии на преодоление этой упругости и трения при подаче полезного сигнала. Эти потери частотно зависимы и особенно могут проявить себя на мидбасовых частотах в виде потери детальности малых уровней. Так как в данном частотном диапазоне частоты имеют довольно большие периоды колебаний. А потери на трение в подвесе зависит именно от времени и частоты. Кроме того, и величина линейного перемещения таких подвесов мала и как следствие, происходит изменение резонансной частоты динамика при различной подведенной мощности.

1.2

Такие системы применялись в Немецкой школе 40-х годов, при этом, масса подвижной системы делалась как можно меньше, а следовательно и упругость подвеса для такой системы тоже нужна не высокая и потери на трение минимальные. Самым лучшим примером такого подхода был динамик Телефункен, который при диаметре излучающей диафрагмы около 260 мм имел полную массу подвижной системы в районе 12 грамм. Современные же динамики для профессиональной школы имеют обычно 30-40 граммов минимум при таком диаметре и супер жесткие подвесы. Звучание подобных систем в профессиональных инсталляциях обычно очень чистое, с мощным и динамичным нижним басом но с малой детальностью на мидбасе, бархотности и хрипотцы голоса Луиса Армстронга на таких системах услышать трудно. Вибрато в таких система как бы компрессировано – подчищено.

2

Нагрузка среды (Аир лоадинг) за задней, иногда и перед передней стенкой диафрагмы громкоговорителя. Это дополнительная пружина и (или) масса или волновое сопротивление в различных конструкциях.

2.1

Различные виды рупорных и лабиринтных нагрузок. Рупор это резонансный фильтр импеданса, он изменяет сопротивление среды излучению от задней стороны диафрагмы и делает его частотно-зависимым, увеличивая нагрузку на диафрагму на некоторых частотах – тем самым по сути увеличивая «пружину» на данной частоте на которую настроен резонанс. Это демпфирование улучшает переходные характеристики системы и увеличивает отдачу на низких частотах за счет использования энергии, которая излучается от задней поверхности диафрагмы громкоговорителя.

Компрессионный подвес – впервые предложенный в полном виде Эдгаром Вильчуром и воплощенный в АС AR-1 Американской компании Acoustic Research. Суть метода заключается в герметичном закрытом ящике некоторого объема за задней поверхностью диафрагмы. Этот объем воздуха работает как дополнительная пружина при сжатии и возвратная пружина после окончания импульсного воздействия. Эта пружина менее инерционная, чем упругий подвес диафрагмы, более линейна по величине перемещения и обладает лучшими переходными характеристиками нежели системы для открытых экранов с собственно достаточными жесткими подвесами. Но все это верно для подвижных систем с небольшим весом подвижной системы. В погоне сделать маленький ящик с глубоким басом, производители делают супер-тяжелые диафрагмы и эффективность такой воздушной пружины недостаточна для быстрого возврата подвижной системы в состояние покоя и быстрого успокоения – приходится и подвес ужесточать и мириться с затянутыми переходными процессами, маскируя их сверхнизкой частотой такого вуфера и прямой АЧХ.

Механическое демпфирование подвижной системы дополнительными к ЗЯ резонаторами, которые так же как и рупор с одной стороны увеличивают КПД системы за счет использования энергии НЧ от тыльной стороны диафрагмы динамика, и при этом улучшают демпфирование системы за счет увеличения массы динамически присоединенного воздуха к подвижной системе. Но при этом, ухудшаются импульсные характеристики системы, так как в систему добавляется инерционность и собственно искажения в переходных процессах этих резонаторов. Самый худший вариант такого оформления ФИ резонатор Гельмгольца – где энергия от задней поверхности диафрагмы излучателя передается через изменение давления в ящике. Плюс сама инерционность резонатора и плюс увеличение времени передачи фронта звукового давления в ящике при использовании плотного заполнения звукопоглощающего материала, скорость распространения фронта звуковой волны в котором в два раза медленнее чем в воздухе.

3

Вид пружины – это собственные пружинные свойства катушки громкоговорителя. Этот вид демпфирования вызван генерацией импульса противо-ЭДС , который образуется при движении катушки в постоянном магнитном поле при импульсном воздействии полезного сигнала (ток в системе катушка – выходное сопротивление усилителя при «сливе» импульса противо-ЭДС через выходное сопротивление усилителя). И величина этой возвратной пружины напрямую зависит от индукции в зазоре и длины проводника катушки. Кроме того, очень большое значение в этой системе играет и «выходное сопротивление» такого генератора – это импеданс катушки громкоговорителя. И на самой критической частоте – резонансной, этот импеданс имеет огромный пик и эффективность пружины уменьшается с ростом импеданса. А ведь при достаточно мощном моторе (магнитной системой в связке с катушкой) такая пружина намного линейнее, и быстрее и мощнее чем все виды механических подвесов.

Таким вот образом, после почти пяти лет использования широкополосной системы с жестким подвесом, упругости которого достаточно для работы в открытых оформлениях, да плюс к тому еще и нагрузка в виде четвертьволнового резонатора Войта, я после долгих сравнительных прослушиваний пришел к необходимости смены религии – к «компрессионным» системам, преимущества которых так долго не видел за тем суррогатом 12 дюймовых динамиков с чувствительностью 85 дБ/Вт и тяжеленным диффузором для установки в маленькие ящики, которые в обилии доступны в России и были доступны в СССР.

Эра золотого века высокочувствительных, в том числе и широкополосных систем прошла в 60-х годах, когда массовое производство и маленькие ящики породили класс систем со слабыми моторами и тяжелыми подвижками, которые имели отличную АЧХ, супер глубокий низ и маленькие габариты. Но зачастую звучание отвратительное, не динамичное и не детальное. Пример именно такого подхода, да еще и убогого исполнения с диким разбросом параметров – Советские S-90.

Но на западе, в 60-х годах, делали совсем другие системы.

Самым типичным представителем динамиков того времени были широко известные модели динамиков английской школы.

Goodmans Axiom 301:

Tannoy Monitor 12 Gold:

И малоизвестные динамики Wharfedale SUPER 12 RS/DD:

Безусловно и американская школа Altec Lansing и JBL шли абсолютно по тому же пути. Жаль нет доступа к Американскому вторичному рынку – дорогое удовольствие доставки.

Типичные параметры таких динамиков: 1,6-1,7 Тл в зазоре, резонансная частота около 30 Гц, масса подвижной системы 25-30 граммов, (компрессионный) мягкий подвес, и мощнейший мотор. И типовой ящик для таких систем был примерно 100-150 литров. При этом, такой ящик имел либо классический щелевой резонатор гельмгольца либо в дорогих системах очень экзотическое оформление «апериодическая мембрана» либо вообще рупорную нагрузку как в легендарных акустических системах Танной. По другому, этот же вид нагрузки называется Variovent, ARU, DP, Aperiodic membrane… у разных фирм по разному, но суть – одна.

Ни в какой литературе, включая патенты этих фирм нет описания электрической модели – аналога этого вариовента. Расчета такой нагрузки тоже нет. Единственное, у всех одинаковое конструкционное решение – это отверстие или серия отверстий или щелей в стенке АС общей площадью 20-80% от эффективной площади излучающей поверхности диафрагмы громкоговорителя, на входе в которое помещена ткань или иное волокнистое вещество или нетканый материал, имеющий высокое сопротивление продуву воздуха. Каждая конкретная фирма давала абсолютно конкретные размеры и материал такой мембраны для своих динамиков, зачастую, сами изготавливали и продавали как опцию. Видимо, и размер и материал подбирался экспериментальным путем. Что же дает такое оформление, вернее вид нагрузки.

Это прежде всего звучание как в закрытом ящике. ЗЯ при всех достоинствах имеет один недостаток – при установке громкоговорителя в ЗЯ растет резонансная частота. Снижается нижняя воспроизводимая такой системой частота. Пик импеданса тоже растет и теряется контроль мотором такой подвижной системы на возврате. Вариовент, в теории ☺, снижает резонансную частоту такой системы и сглаживает пик резонанса, возвращая контроль (пружинный возврат и успокоение) мотору. При этом, и объем ящика получается относительно небольшой и низ достаточно глубокий. Нижняя граничная частота большинства систем 60-х годов была в районе 35-40 Гц в ящиках 110-170 л с вариовентом. Практически сказочные обещания.

Но это достаточно большие ящики, а маркетинг требовал большего. Развитие транзисторной схемотехники и мощные усилители позволили маркетологам пойти по пути минимизации АС за счет снижения чувствительности – ослабления мотора и увеличения массы подвижной системы. А малая чувствительность компенсируется мощным усилителем. Такие системы по моим ощущениям дают большую громкость, но очень медленные и не детальные. Может и неплохо для электронной музыки, но для живой музыки с большим динамическим диапазоном и обилием деталей малых уровней такие системы отыгрывают очень плохо. Достаточно послушать контрабас и вообще все джазовые и блюзовые системы на таких “глушняках” и все становится понятно. Но эту разницу познаешь только в сравнении.

Приходишь в магазин и когда две АС 120 и 40 литров имеют одинаковый показатель нижней граничной частоты и АЧХ, при этом маленькая еще и 300 Вт, а большая 25 Вт и стоит раз в пять меньше, то не задумываясь берешь новую, маленькую «хАрошАю». В результате продается в разы больше таких малышей и прибыль растет. А вот когда слушает систему 120 литров ЗЯ с чувствительностью под 96 дБ/Вт и 45 л с динамиком 85 дБ/Вт + ФИ, вроде бы и последняя 20 Гц дает, а звучание баса в ЗЯ ни с каким ФИ не сравнить.

Но вернемся к Вариовенту, уж больно сказочные характеристики обещает такая система. Никакая программа – симулятор не может симулировать работу такой системы. Да и динамики для таких систем редкость и дорогостоящая редкость. А современный радиолюбитель пока не увидит красивые результаты в симулирующей программке в железе, ничего делать не будет. Но мы не привыкли отступать. Кто не рискует – тот слушает S-90 и утешает себя 30 Гц нижней граничной частоты и ровной АЧХ.

Читаем мат. часть – в основном это рекламные буклеты и скудные технические описания компаний Гудманс, Варфедейл, Динаудио… Пара патентов 60-х годов, где описываются общие принципы без расчетов и конкретных материалов. Путь, который я вижу – это простое копирование конструкций этих фирм, замеры и эксперименты, попытка систематизировать получившиеся результаты. Главное начать. Тут главное – динамики. Заграница нам поможет ☺.

Впервые, информацию о работе распределенного порта я нашел в книгах Артура Бриггса “Sound Reproduction” 1956 года выпуска. Опять таки, изделия уважаемой мною компании Хелиум тоже используют таинственный принцип вариовента. Но нигде, кроме патента Тэда Джордана (Гудманс), да и в самом патенте, нет никаких теоретических основ расчетов подобного оформления.

Нет теории, одни практические рекомендации, основанные на результатах практических экспериментов. Зачастую, результаты, полученные в ходе практических экспериментов, расходятся с компьютерным моделированием работы подобных конструкций. По сути, Бриггс делал распределенный порт ФИ с общей площадью порта примерно 30-40% от эффективного диаметра излучающего конуса динамика. При этом, глубина порта равна толщине стенки и если смоделировать такой ФИ в любой программе, использующей модель Тиля-Смолла о поведении динамика в ЗЯ или ФИ – то получится абсолютно нелепая система с задранным резонансом в достаточно высокой области. Но фотографии замеров импеданса и АЧХ говорили о совсем другом эффекте. Нет двух горбов классического ФИ – резонанс динамика смещается в более низкочастотную область и размазывается в пологую полочку с невысоким значением импеданса.

Более подробное изучение книг Бриггса, показало, что он в некоторых проектах полностью заполнял корпус довольно плотно звукопоглотителем. В классическом понимании ФИ, должен существовать некий незаполненный ватой канал от динамика к ФИ. В варианте же Варфдейла, заполнялся полностью весь объем. Безусловно такой «воздух» в ящике обладал куда большим сопротивлением, кроме того, несколько конструкций инсталляционных комплектов Варфдейла вообще не имели заполнения, НО вскользь, упоминается, что на входе порта наклеивается тряпка типа тонкой стеклоткани.

Варфдейл и Гудманс 60-х – классический пример когда акустику настраивали не по упрощенным и идеализированным параметрам Тиля-Смолла (их тогда еще не написали и не опубликовали), а путем примерных вычислений и долгих практических экспериментов. При этом, нельзя сказать, что не было измерительной базы. Приборы были высокоточные, может не столь автоматизированные, и без интуитивно понятного интерфейса как Виндовс ☺, но все же, именно опытным путем и Гудманс и Варфдейл пришли практически к одному и тому же виду оформления. DP (Distributed Port) у Wharfedale и ARU акустическое сопротивление у Goodmans. Кроме того, и Dynaudio ничего не объясняя, по понятиям тоже делает вариовент или апериодическую мембрану. Ну и наши Хелиум применили вариовент после долгих экспериментов и ехидно хихикают при сравнении их баса с конкурирующими изделиями.

Так как в моем распоряжении есть отличная пара 12 широкополосников Варфдейла (глубокое КУ заграничным сподвижникам) и рекомендации 60-х годов по его применению – я провел серию экспериментов. Диаметр порта является относительно большим и длина туннеля по существу равна толщине панели, фактически такой классический ФИ резонатор без тряпок имеет массу весьма низкую, что приводит к резонансу в ящике, который намного выше чем разумная частота настройки для данной системы, это означает что система, оснащенная таким портом действительно имела бы очень странную горбатую отдачу и высокую резонансную частоту.

С этим «резистором» потери чрезвычайно низки, полная добротность Qp ОЧЕНЬ низка (приблизительно 1-2 максимум), и таким образом действие порта вблизи резонанса подвижной системы громкоговорителя эквивалентно нагрузке гораздо большего объема воздуха. Результат – выраженная система с относительно невысоким Fb (за счет присоединения такого балласта) для данного объема ящика АС, который имеет очень низкий Qb.

Какое преимущество этот вид нагрузки имеет? Хорошо согласуется с нормальными басовыми громкоговорителями с мощными моторами, и это маленький ящик. Этот вид оформления не имеет никакого преимущества по эффективности должным образом разработанными АС типа ЗЯ. Но и недостатков использования энергии от задней стороны диффузора, как в классическом ФИ, тоже нет.

От размышлений к практике. Динамик Wharfedale SUPER 12 RS/DD имеет примерно ☺ следующие параметры Тиля-Смолла:

fs 21,2 Hz free air resonance frequency
Zmax 65,9 Ohm impedance at resonant frequency
Rdc 12,5 Ohm DC-resistance
Qms 0,99 mechanical Q of the speaker
Qel 0,23 electrical Q of the speaker
Qts 0,19 total Q of the speaker
Mmd 24 mass of driver’s cone
Cms 2 compliance of driver’s suspension
Rms 3,5 The mechanical resistance of the driver resulting from its suspension losses.
Vas 682 liter compliance volume of the speaker
Vas was determined with a test cabinet (Vb=120,0 liter)

Вроде такой страшный эквивалентный объем ☺)) но динамику уже 30 лет и резонансная частота с 31 Гц ушла на 22 Гц ну и измерительный ящик 120 литров вместо рекомендуемых 60 л тоже может дал погрешность, но это не главное – главное практические эксперименты.

Итак – один из серии замеров параметров Т-С:

Все как в программе – симуляторе. Синий – freeair, зеленый – ЗЯ на 120 литров с соответствующими линиями фазы (красный для freeair). К сожалению, я побоялся провести измерение массы методом добавочной массы – побоялся приклеивать груз чем-либо к такому конусу. Да и измерения в области 5-10 герц для моего компьютера и измерительного усилителя на TDA2050 тоже будут не очень точными.

Далее пошла серия экспериментов в ящике 120 литров с распределенным портом – 12 щелей размером 6х250 мм и глубиной 30 мм:

Первый замер без тряпок. Синий – как и обещал БассБокс 6 про ☺)) с точностью до 10%. Тут я и задумался на счет правильности пути, но мы не привыкли отступать, перерыв все скудные очерки и проанализировав попытки выудить хоть какую-то информацию у Игоря из Хелиум (жаль, он не стал раскрывать коммерческих секретов) предположил, что все дело в тряпке и (или вате). И пошли разные тряпки на вход порта.

Первый синий – без тряпок, ужас – в газенваген;

Второй – чисто зеленый с обычной ХБ тканью;

Третий – «морской волны» с одним слоем не тканного полотна типа «новогодняя скатерть одноразовая» прогресс на лицо;

И вот, на 8-м экземпляре ткани получилась крайне интересная картинка.

Четвертый график – цвета «хаки».. Ткань подкладочная, синтетика с простеганным тонким слоем синтепона…

Опаньки, а вот оно работает, и это все без заполнения ватой корпуса.

И обратите внимание. Что происходит с кривой фазы…

Кривая импеданса как и обещал Бриггс в начале 60-х годов, представляет собой пологую полочку от 15 до 60 Гц, одну, да еще такую низкую по абсолютному значению импеданса, в районе 28 Ом для 12 омного динамика. Кривая фазы пересекает 0º в районе 30 Гц, второго излома нет. Что ж, на данном промежуточном этапе самое время вернуться к попыткам осмысления полученных результатов.

Как следует из описания патента Goodmans на ARU: согласно заявлению на изобретение, данный метод заключается в установке на какой либо стенке (стенках) ящика акустической системы, акустического сопротивления, которое представляет собой в варианте Гудманс рамку, в которую вставлены две перфорированные стенки (решетки гриль), между которыми помещен волокнистый материал с высоким показателем сопротивления воздуху за счет трения волокон. Согласно патенту, размер порта ☺)))))) выбран таким образом, чтобы эффективно демпфировать подвижную систему динамика, что снизит как резонансную частоту, так и искажения. При этом, собственное излучение от такого порта будет пренебрежительно мало. Да уж, повторяйте люди добрые.

В подобной конструкции, на низких частотах, масса воздуха, сосредоточенная в порту добавляется к массе подвижной системы (динамически соколеблющаяся масса воздуха), что и снижает частоту основного механического резонанса подвижной системы. На частотах, выше частоты основного резонанса, масса воздуха в таком «объеме» слишком инертна для таких скоростей и система работает как обычный ЗЯ. На более низких – опять таки объемы перемещения слишком высоки и это опять ящик небольшого размера ☺.

В патенте отсутствует точная математическая модель данного вида нагрузки. Для динамика с эффективным диаметром излучающей диафрагмы в 10″ (254 мм эффективного диаметра) описывается порт площадью в 103 см². И соответственно около 22% от эффективной площади излучающей поверхности диафрагмы 12″ динамика (490² см для Ø250 мм). В варианте Бриггса, порт занимает 35% от эффективной площади излучения. Далее – в чертежах АС для динамиков Гудманс использует АРУ с площадью 50-80 % от эффективной излучающей площади динамиков – видимо меняя плотность материала мембраны. Возможно, что именно определение «сопротивления потоку воздуха» материала резистора и определяет геометрические размеры порта и вот его то и трудно смоделировать.

В общем, получается 20-50% от эффективной площади, обязательно малые диаметры отдельных частей порта или размеры отверстий, формирующих порт (распределенный порт) и дальше уже подбор тряпок или ваты по виду импеданса до оптимальной формы.

Хелиум использует вариовент размером 10% от площади диффузора. При этом заполняет сильно синтепоном, видимо компенсируя малую массу воздуха в порту таким добавочным ПАСом.

А может быть, Бриггс нигде и не афишировал про вату и «тряпку» в порту, так как на Гудмансе, EDWARRD JAMES JORDAN (Ted Jordan) запатентовал этот «резистор» в 1955 году и порвал бы Артура Бриггса и его Варфдейл за такую тряпку.

Патент 1955 года теперь, как я понимаю, публичный и его можно использовать абы как заблагорассудится. Дальше – уже практическая реализация в реальных корпусах с акустическими замерами и массовыми прослушиваниями ☺)))). Чертежи начерчены, осталось за малым – напилить да собрать ☺))

Автор: Gajdar