Несколько факторов «скорости» баса

В профессиональной среде часто обсуждается феномен субъективной «медлительности», отставания баса от основного сигнала. Особенно остро возникает проблема на стадии согласования субвуферов и основных акустических систем. Я вижу три основные причины этого явления:

1. неестественная форма АЧХ;
2. несогласование по такому параметру как acceleration factor;
3. особенности типа акустического оформления.

1. Неестественная форма АЧХ большинства систем с субвуфером

Этот пункт хочется отметить особо, так как здесь — первопричина того, почему независимо от типа конструктивного оформления субвуфер нарушает сцену (фокусировку, локализацию), и тем сильнее, чем выше уровень его громкости по сравнению с громкостью основных акустических систем.

Спектр натуральных звуков по своей природе не имеет того подъема к низким частотам, которого принято добиваться субвуферами. Стоит внимательнее прислушаться к грому, прибою, звучанию симфонического оркестра и даже органа, в конце концов к взрыву, чтобы понять это.

Что происходит при ударе в барабан (или по струне рояля)? К слову, именно атака рояля считается самой сложной для воспроизведения аппаратурой. Палочка (колотушка, молоточек) с начальной скоростью соударяется с поверхностью мембраны (струны). Начинаются местные мелкие прогибы и волны около точки касания, и только потом вся мембрана (струна) смещается на максимальную амплитуду и появляется основная низкочастотная гармоника. То есть атака не начинается с самой низкой гармоники — у большинства инструментов атака начинается c кратных частот. То, что мы слышим вживую, это отчетливая атака, сопровождаемая низким послезвучием с естественно ослабленным давлением.

Теперь представим АЧХ с подъемом к низким частотам. Начало атаки будет присутствовать, но низкочастотная составляющая, и так появляющаяся с задержкой по другим физическим причинам, будет акцентирована. Иными словами, если, к примеру, барабанщик играл синхронно с другими музыкантами, то есть синхронным было начало удара, — мы воспримем не столько начало атаки, сколько акцентированный «горб» на нижней части АЧХ, воспроизводимой субвуфером. Еще более заметно это явление у бас-гитары, особенно если музыкант играет не медиатором, а пальцами, ведь при этом четкость атаки снижается.

Есть основания полагать, что этот эффект усугубляется еще и маскировкой. Ведь если источники сигнала совмещены в пространстве (в данном случае источник — большой барабан), то более низкий по частоте сигнал маскирует более высокий. В результате как бы исчезает звучание гармоник поверхности мембраны. Тот же эффект будет с любым другим музыкальным инструментом. При спадающей же АЧХ маскировка ослабнет, при возрастающей — усугубится.

Вспомните «ударное» и «быстрое» звучание дискотечных систем. Кажущаяся скорость баса исходит из особенности АЧХ: общий упор на верхнюю часть басового диапазона с сильным «горбом» на 80…120 Гц и с ослабленным «нижним» басом. Можно посмотреть параметры Тиле-Смолла для концертных басовых 15″ динамиков: параметр F3 у большинства из них в оформлении редко опускается ниже 50 Гц, причем с легким спадом уже от 80…100Гц.

А теперь вспомните звучание субвуфера в автомобилях, пусть даже верхнего ценового ряда в оформлении «кабинет» или «фриэйр»!

Потому считаю категорически неприемлемой АЧХ с подъемом книзу при воспроизведении живой музыки, когда акцент делается на достоверную натуральную передачу материала.

Напрашивается мысль о принципиальной невозможности создания универсальной акустики, способной передавать достоверно звучание живых инструментов и одновременно добиваться сочной подачи баса в рок-музыке, для чего делают подъем на 40…50 Гц.

И еще важный момент — при конструировании акустических систем и настройке комплекса звукоусиления необходимо учитывать влияние помещения прослушивания, так как небольшая комната может создать значительный подъем АЧХ в области ниже 100 Гц, и даже при теоретически правильной АЧХ системы звучание басов будет ненатуральным из-за резонансов и стоячих волн

2. Фактор ускорения

Следует рассмотреть такую величину, как acceleration factor = (BL/sqrtRdc)/Mmc. Если провести расчеты, то для большинства басовых громкоговорителей эта величина лежит в пределах 0,07…0,05; для «средних» же басов (особенно с диффузором 5″ и с легкой подвижной системой) она составляет 0,2…0,6. И пусть это абстрактная величина, но разница в 3-12 раз!

Эта величина характеризует ускорение при разгоне диффузора (BLI = F, F/M = a). Было бы неплохо проанализировать это явление и привести к какой-то универсальной единице, учитывающей ход диффузора и прочие параметры, для непосредственного согласования показателя скорости на частоте стыковки.

(Следует учесть, что звуковое давление пропорционально не только скорости движения диффузора, но и его площади. Именно площадь диффузора надо учесть в числе «прочих параметров», ведь у НЧ-головок она заметно больше, чем у СЧ — прим. ред.

3. Особенности акустического оформления

Фазоинвертор является резонатором высокой добротности. А любая резонансная система не выходит на максимальную установившуюся амплитуду с первых полупериодов раскачки! Причем чем выше добротность, тем выше время раскачки и успокоения. Отсюда и «отставание» при разгоне, и «размазывание» атаки, и инерционность при остановке.

Расчетная АЧХ фазоинвертора соответствует как раз установившемуся резонансу порта, а при быстром и коротком сигнале он может просто не успеть разогнаться и не «отработать» какой-то момент.

Онкен. Возможно, онкен (улучшенная разновидность фазоинвертора) звучит натуральнее стандартного фазоинвертора, потому что:

не создает подъема самых нижних частот (выше опорной чувствительности);

его частота настройки ниже, то есть меньшая доля сигнала подвергается воздействию порта;

результирующая добротность резонансной системы «громкоговоритель-порт» тоже ниже (имеется в виду, что ящик намного просторнее стандартного «оптимального» фазоинвертора);

групповая задержка в области вплоть до самых нижних частот меньше и более пологая.

TL, TQWP. Все то же самое касается и трансмиссионных линий (TL), поскольку они являются резонаторами, только основанными на другом физическом принципе.

По TQWP (труба Войта) трудно сказать что-то определенное, так как это тип «резонансного рупора». По форме АЧХ у TQWP может быть местный подъем на средних басах, но книзу он начнет спадать, что натурально и естественно.

Рупор. Рупорный бас считается наиболее быстрым и точным. Что касается «отставания» рупоров — теоретически оно очень малое, но надо принять во внимание транспортное запаздывание по длине хода волны вдоль канала (внутри свернутого рупора при тыловом рупоре). Если на низких частотах задержка в 7…10 мс считается незаметной, то при длине рупора до 3 м отставание будет незаметным. Плюс у рупоров естественная АЧХ без подъема к самому низу. Транспортное запаздывание можно скомпенсировать физическим расположением излучателей относительно друг друга.

Но применение рупоров ограничено их габаритами. Здесь еще следует учесть, что, как правило, басовые рупоры рассчитывают для излучения в одну восьмую пространства (угол помещения), что ограничивает область применения. Для «настоящего баса» размеры рупора очень внушительны, для открытого большого пространства практически нереализуемы.

Закрытый ящик. Традиционно считается, что с точки зрения динамики закрытый ящик является одним из лучших видов оформления, к тому же прост в расчете и некритичен к отклонениям от оптимальных расчетных значений. Но и здесь есть некоторые «подводные камни». К примеру, динамики, способные играть самый низ в закрытом ящике разумного размера, как правило, имеют очень большую массу подвижной системы и соответственно низкое значение acceleration factor.

Кроме того, в них есть некоторые «сюрпризы», на которых обычно не заостряют внимание. Математическая модель динамика в ящике — масса, подвешенная на пружине. Однако почему-то не учитывается конечная масса этой «пружины». Возьмем, к примеру, Scan Speak 10″. Масса подвижки 47 г, ящик 50-60 л. Вспомним физику с химией: воздух 28 г/моль, любой газ 22,4 л/моль. Получаем массу воздуха в ящике 70 г! Это даже больше, чем масса подвижки.

(В движущуюся массу включено все: диффузор, подвес, соколеблющийся воздух не только внутри ящика, но и снаружи — прим. ред.).

Трудно сказать что-то определенное по поводу расчета такой уточненной модели, но необходимо задуматься: если динамик демпфируется усилителем, то что происходит с колеблющейся воздушной массой после прекращения сигнала? Она ведь воздействует на диффузор, пусть и в небольшой мере, но, как показывает практика слухового восприятия, ничего незначительного не бывает. Какова реальная частота и добротность резонанса с учетом массы воздуха в ящике?

У профессиональных систем с высокой чувствительностью и легким диффузором соотношение массы подвижной системы и массы воздуха в ящике будет еще больше.

Еще момент. Ход динамика 5 мм, объем ящика 50 л, площадь диффузора 330 см2. Можно рассчитать силу, приложенную к задней части диффузора при максимальных амплитудах смещения по разности давлений на заднюю и переднюю поверхности. Получилось около 1,1…1,3 кгс. Много это или мало? Можем рассчитать силы инерции и движущую силу катушки, для примера на 50 Гц с ходом в 5 мм. Получается около 1,8 кгс. Как видите, величины вполне сопоставимы.

(По катушке F=BLI, сила инерции F=Ma, a=2S/t2, с учетом, что за 1/4 периода динамик сместится на 5мм.)

Это не имеет отношения к теме задержки баса, но влияет на модальные режимы излучения динамика.

Выводы

Если форму АЧХ можно скорректировать графическим эквалайзером, то причины, указанные в пунктах 2 и 3, являются некорректируемыми. Остается искать быстрый динамик для закрытого ящика либо, еще лучше, для «бесконечного экрана» или строить бескомпромиссный рупор с выходным сечением в несколько квадратных метров.

Интересно было бы набрать портал из излучателей в экранах, плотно состыкованных в общий щит размером в несколько метров на каждую сторону. Получив такой диполь, можно добиться звучания баса, близкого к идеалу. Все секции будут компактны и транспортабельны, а общий размер портала позволит избежать акустического короткого замыкания на рабочих (музыкальных) частотах.

Не претендуя на научность и абсолютную достоверность изложенных фактов, надеюсь, что кого-то эта статья подтолкнет к размышлению на данную тему и, возможно, поиску новых путей решения проблемы.

Автор: Дмитрий Чиншевой