О басе в подробностях

Статья взята с сайта 12 Вольт

Сначала он был экзотикой: в домашнем кинотеатре еще куда ни шло, но занимать пол багажника под динамик в здоровенной коробке   увольте. Но все течет, все меняется, и включение сабвуфера в автомобильную аудиосхему стало со временем вполне обыденным явлением. Дилемма   ставить или не ставить, уступила место более многогранной проблеме   какой ставить лучше? А действительно какой?

     Сабвуфер не только является источником низких частот, но также делает звучание всей акустической системы громче, уменьшает количество искажений за счет того, что с остальных динамиков снимается дополнительная нагрузка. Считается, что для адекватной передачи баса в серьезных аудиокомплексах НЧ-динамик просто необходим. С учетом важности суббасового звена системы производители акустики предлагают широчайший спектр продукции, так что выбирать есть из чего: от отдельных головок до активных сабов и всего остального между ними. А что и как ставить   уже дело установщика. Можно делать бокс самому, использовать "полуфабрикат", готовую коробку или сразу готовый сабвуфер.

     Звучание сабвуфера зависит от множества факторов   акустических условий салона, характеристик головки громкоговорителя, типа акустического оформления, формы и материала, из которого он изготовлен. Кроме того, саб, являясь частью автомобильной аудиосистемы, не может жить отдельной от нее жизнью. В связи с чем работу суббасового звена следует рассматривать комплексно. Чем мы и займемся.

Варианты конфигураций

     Их много, но основных вариантов включения сабвуфера в систему шесть. Первые два используют пассивные кроссоверы между выходом усилителя и динамиком, остальные с активными кроссоверами, которые в сигнальном тракте располагаются между источником сигнала и входом усилителя. Естественно, что у каждого есть свои преимущества и недостатки, изложенные в сжатом виде в таблице N1.

     Вариант с использованием одного усилителя, безусловно, самый экономичный, ведь на один аппарат разом "цепляются" пара динамиков и сабвуфер, а разделение сигнала на частотные полосы производится недорогим пассивным кроссовером. С другой стороны, большинство стандартных кроссоверов включают ВЧ-фильтр с крутизной затухания характеристики 6 дБ/октаву и НЧ-фильтр с крутизной затухания характеристики 12 дБ/октаву. Недостатками такой конфигурации является то, что работающие от того же усилителя динамики будут недостаточно защищены на пиковых мощностях. Кроме того, пассивные кроссоверы, как правило, имеют фиксированные частоты среза, что ограничивает возможности при настройке системы. Вдобавок на всех мощности одного усилителя может попросту не хватить.

     Стандартная для пассивных кроссоверов крутизна характеристики НЧ-фильтра (12 дБ/октаву) для воспроизведения басовых частот не вполне адекватна. Как известно, наши слуховые органы не способны локализовать звук частотой ниже 100 Гц. То есть, если в автомобильном аудиокомплексе присутствует НЧ-динамик, воспроизводящий частоты ниже этой отметки, слушатель по идее не должен знать, откуда излучается бас. В то же время при недостаточной крутизне характеристики становятся слышны частоты мид-басового, а и иногда даже среднечастотного диапазона, и как результат можно четко определить, где в салоне находится сабвуфер. Тем самым сводится на нет работа по созданию пространственной картинки.

     Исправить ситуацию можно, используя фильтры более высокого порядка   3-го (18 дБ/октаву) или 4-го (24 дБ/октаву). Также можно собственноручно моделировать и создавать кроссоверы с требуемыми под конкретный динамик параметрами. В принципе с небольшой натяжкой фильтры 2-го порядка подходят для работы с полосовыми сабвуферами, поскольку они менее всего подвержены высокочастотным призвукам и у них наиболее узкая полоса пропускания. В целом же стандартные фильтры 2-го порядка не рекомендуются для работы в составе суббасового звена.

     Идеальным, но достаточно дорогостоящим вариантом можно назвать конфигурацию в составе активного кроссовера, басового усилителя и сабвуфера. Почему, в общем-то, понятно: компоненты, при наличии достаточных финансовых средств, можно подобрать с адекватными друг другу и запросам клиента характеристиками. Таким образом, открываются большие возможности при настройке системы, что в конечном итоге приводит к положительным результатам в звучании всего аудиокомплекса. Усилитель в такой схеме в принципе уже может быть укомплектован встроенным кроссовером, хотя это не всегда требуется. Если параметры встроенных фильтров соответствуют предъявляемым им требованиям, то можно сэкономить и обойтись без активного кроссовера. В этом случае прежде всего следует обратить внимание на порядок НЧ-фильтра, который, как уже было сказано, должен быть не ниже третьего. Важно также наличие плавных регулировок частоты среза или же возможность их выставления с помощью сменных резисторных модулей   функции, которые позволяют интегрировать сабвуфер без слышимых "швов" на стыке басового и мид-басового диапазонов. Однако во многих бюджетных моделях усилителей все как раз наоборот. Стандартная комплектация предполагает наличие фильтров с недостаточной крутизной характеристики (6 и 12 дБ на октаву соответственно для ВЧ- и НЧ-фильтров), а также две фиксированные частоты среза, что, как уже было упомянуто выше, для баса не вполне приемлемо. Тогда остается отключить встроенный кроссовер и предложить клиенту раскошелиться на более подходящее устройство.

     Наконец, еще одна схема в составе активного кроссовера и активного корпусного сабвуфера (то есть того, что продается с усилителем). Способ, пожалуй, самый простой. Производитель сам берет на себя заботы по согласованию параметров усилителя и НЧ-головки, сам рассчитывает нужный для нее рабочий объем и комплектует басовый агрегат кроссовером. Правда, противников у использования активных сабвуферов в серьезных аудиокомплексах немало. Основные аргументы: небольшая мощность усилителей и низкоклассный кроссовер. В большинстве случаев с этими утверждениями можно согласиться, хотя вышеуказанного преимущества (простоты в установке) у активных сабов не отнимешь. Пожалуй, единственный способ улучшить их работу   это использование более "порядочного" активного кроссовера.

Каким должен быть кроссовер

     Здесь есть над чем задуматься и желательно сделать это на начальном этапе построения системы. Возможен вариант устройства, которое имеет исключительно сабвуферные выходы или же использование кроссовера с НЧ- и ВЧ-фильтрами (в том случае, если один усилитель раскачивает сабвуферный динамик вместе с другими драйверами). Если рассматривается вариант включения усилителей по схеме биампинг, то здесь пригодится трехполосный кроссовер с сабвуферными, низко-среднечастотными и высокочастотными выходами.

     Оптимальные параметры кроссовера указаны в таблице N2

      Как мы уже говорили, крутизна затухания характеристики сигнала является наиболее важным параметром при выборе кроссовера. Недостаточно высокий порядок фильтра (ниже 3-го, то есть ниже 18 дБ на октаву) приведет к тому, что вместе с нужным нам басом сабвуфер будет воспроизводить нежелательные мид-басовые или даже средние частоты. Вследствие чего получается эффект направленности баса, что от него как раз и не требуется.

Сколько сабу нужно мощности

     Здесь обычно исходят из суммарной мощности системы и частоты среза сабвуфера. Распределение мощности в процентном отношении в типичной автомобильной аудиосистеме в зависимости от частотного диапазона выглядит согласно таблице N3 следующим образом.

     Примечательно, что менее половины мощности приходится на частоты выше 300 Гц. Следовательно, по крайней мере 50% отходит к диапазону ниже этой границы. Отсюда вытекает правило, которое применимо для многих конфигураций: мощность басового усилителя должна быть в полтора раза больше мощности фронтальных динамиков. Так, если на фронт используется 4-канальный аппарат 4 x 25 Вт, то подводимая к сабвуферу мощность рассчитывается по формуле: 1,5 х (25 Вт + 25 Вт). Получаем, что на бас следует отвести порядка 75 ватт.

     Может потребоваться и больше. Например, когда частота среза НЧ-фильтра выше 150 Гц, в случае низкой чувствительности сабвуферного динамика или если сабвуфер находится в багажном отсеке и доступ баса в салон затруднен. Ну и когда клиент просто хочет "много баса". Понятно, что при подборе усилителя (или усилителей) прежде всего принимают во внимание количество НЧ-динамиков в системе, значение их импеданса (НЧ-головки обычно делают 4-омными, с обыкновенными или сдвоенными звуковыми катушками) и диаметр диффузора.

     Наиболее эффективный и часто используемый установщиками способ повышения мощности басового усилителя   соединение его каналов "мостом" (естественно, если такая опция имеется). Включение 2-канальника по мостовой схеме обычно дает больше ватт, чем суммарная мощность его каналов, при работе в стереорежиме. К примеру, аппарат 2 х 50 Вт по идее должен выдать 150 Вт в "мосту", а 4-канальный (4 х 50 Вт) в стереоконфигурации будет развивать до 150 Вт на канал.

     Еще один вариант   параллельное соединение динамиков (рис. 1). При этом плюсовые клеммы соединяются между собой (минусовые, естественно, тоже) для того, чтобы обеспечить софазное движение головок. Повышение отдачи сабвуфера происходит вследствие двукратного уменьшения общего импеданса параллельно соединенных звуковых катушек. Поскольку стандартное сопротивление автомобильной акустики 4 Ом, суммарный импеданс двух головок, включенных в параллель, будет всего 2 Ом, что дает возможность басовому усилителю полностью раскрыть свой потенциал.

     При этом важно помнить, что редко какой усилитель выдерживает в "мосту" нагрузку сопротивлением ниже 4 Ом. Что в принципе исключает и использование двух 4-омных динамиков, соединенных параллельно в этом режиме, поскольку включенный "мостом" усилитель "чувствует" только половину нагрузки, которую ему обеспечивают динамики.

Типы сабвуферов

     Какое должно быть акустическое оформление НЧ-головки, зависит от многих факторов. Каждый тип сабвуферного бокса, будь то полностью закрытый (sealed), фазоинверторный (ported) или полосовой (band-pass), имеет свои достоинства и недостатки. К тому же многое зависит от конкретной платформы для построения аудиокомплекса, то есть сама машина довольно часто диктует специалистам свои условия. И все-таки: существует ли безусловно лучший тип басового корпуса? Ответ   отрицательный. Согласитесь: если бы был, то зачем тогда нужны все остальные? Напротив, закрытые коробки инсталлируют в багажники транспортных средств примерно с той же регулярностью, что и фазоинверторы.

     Прежде чем мы обратимся к сабвуферным корпусам, поговорим о том, для чего они нужны в принципе. Вся проблема в том, что тыл динамика генерирует столько же звука, что и его фронт, но с обратной направленностью. Чисто гипотетически, если вас усадить на место в машине, где эти две составляющие будут с равной интенсивностью воздействовать на слуховые органы, то произойдет их нейтрализация, и вы вообще ничего не услышите. На практике динамики, лишенные надлежащего акустического оформления, будут излучать высокие и средние частоты, но только не требуемый нам бас. Происходит это потому, что звуковая волна, исходящая от тыла головки, должна проделать более длительный путь до уха слушателя. В результате высокие и средние частоты усиливаются, а низкие наоборот ослабевают.

     Словом, без "корпусирования" не обойтись. Из чего делают боксы? Предпочтения у опытных инсталляторов самые разные, но большинство сходятся в одном: без древесины в том или ином виде хорошего баса не добиться. Два наиболее распространенных на сегодняшний день материала   среднедисперсная древесностружечная плита (MDF) и многослойная фанера. Эти материалы отличаются оптимальными акустическими характеристиками, достаточно прочны, несложны в обработке и доступны по цене. Еще более доступной является ДСП, уступая по своим характеристикам (звукоизоляции, плотности, прочности) двум предыдущим материалам. Различные виды пластика или оргстекло чаще применяются при недостатке места или же в демонстрационных целях, но это уже определенная уступка со стороны музыки.

Бескорпусные сабвуферы (free-air)

     Чем они хороши, так это простотой исполнения. Установщику не надо "ваять" бокс, а владельцу загромождать багажник. Динамики монтируются в предварительно укрепленную и обработанную заднюю полку, а грузовой отсек выступает в качестве своеобразного корпуса, который препятствует проникновению в салон звука, излучаемого тыльной стороной головки. Проблема в том, что не всегда удается сделать багажник абсолютно "глухим", и вышеописанное явление нейтрализации низких частот результируется в отсутствии того, что называют "глубоким басом", и в снижении кпд динамика.

Полностью закрытые корпуса
(sealed boxes)

     Тип сабвуферного корпуса, который достаточно эффективно препятствует распространению звуковых волн, исходящих от тыла громкоговорителя. "Спертый" воздух внутри коробки в данном случае действует как пружина, контролируя колебания диффузора. Полностью закрытые боксы легче конструировать, чем, скажем, фазоинверторные и полосовые сабвуферы. Они не слишком придирчивы по части расчетов рабочего объема, требуемого для оптимальной работы драйвера, и более снисходительны к ошибочным данным, указанным производителем в сопроводительных документах изделия. Воздушная подушка защищает динамик от низкочастотных импульсных помех, иногда возникающих при включении системы, подачи на него инфразвуковой энергии да и просто езды по неровным дорогам. Это наиболее предпочтительный вариант, если вам необходимо занять по минимуму места в багажнике или салоне, поскольку считается, что для воспроизведения "глубокого баса" объем полностью закрытого корпуса может быть незначительным, хотя и в этом случае надо знать меру. При уменьшении объема ниже допустимых пределов происходят существенные потери низкочастотной составляющей. С увеличением объема отдача в области инфразвуковых частот возрастет, но тогда нивелируется эффект экономии места. В любом случае по отдаче такой сабвуфер будет уступать более крупногабаритным коллегам фазоинверторной или полосовой разновидности. В то же время по сравнению с ними частотная характеристика закрытых корпусов в области спада более гладкая.

Фазоинверторные сабвуферы
(ported)

     Фазоинверторные корпуса в отличие от полностью закрытых используют звук, исходящий от тыла динамика, во благо мощного баса, поскольку получаемое звуковое давление представляет собой сумму излучений диффузора и порта. Соответственно использование этого акустического оформления позволяет повысить кпд НЧ-головки. В то же время фазоинверторы более сложны в изготовлении и более придирчивы по части расчетов рабочего объема, настройки порта на оптимальную частоту, согласования сопротивлений излучения диффузора и трубы фазоинвертора и т.д. Поэтому указанные производителем параметры лучше лишний раз перепроверить. Но грамотно проведенная работа, как правило, бывает вознаграждена по заслугам. Считается, что фазоинверторный сабвуфер способен воспроизводить бас на целую октаву ниже корпусного. Правда, есть одно "но": в этом случае сама коробка должна быть раз в пять больше. Так что применение корпуса с фазоинвертором часто бывает обусловлено готовностью заказчика расстаться с энным объемом грузового отсека.

Полосовые сабвуферы
(bandpass)

     Этот тип акустического оформления можно назвать гибридом двух предыдущих, поскольку в своей конструкции имеет характерные признаки и того и другого. Типичный полосовой саб состоит из двух камер, одна из которых доступа наружу не имеет, а у второй он оформлен в виде тоннеля фазоинвертора. Через него-то бас в концентрированном виде и подается в салон. В концентрированном, потому что динамик крепится в стенке, разделяющей два заполненных воздухом объема, и колебания диффузора встречают сопротивление как с фронта, так и с тыла. В результате энергия, которая подводится к громкоговорителю, не распыляется, а расходуется более рационально, чем в закрытом и фазоинверторном боксах. Такое хитрое строение бэндпасса обуславливает, с одной стороны, его более высокое звуковое давление (до 6 дБ по сравнению с закрытыми корпусами), а с другой   склонность к работе в узкой полосе низких частот. Но тем и хороши полосовики, что дают право выбора, поскольку путем изменения объема камер можно либо повышать величину звукового давления, создаваемого НЧ-головкой, либо расширять границы частотного диапазона. Впрочем, для того чтобы успешно манипулировать объемами, равно как и настраивать тоннель фазоинвертора в соответствии с акустическими условиями салона, надо обладать большим инсталляторским опытом. Здесь "курса молодого бойца" явно будет не достаточно.

Выбор динамика

     Не секрет, что размеры и тип акустического оформления во многом определяются мощностью, чувствительностью и частотной характеристикой НЧ-головки. Работая в низкочастотном диапазоне, сабвуфер должен приводить в движение большие массы воздуха, площадь которых пропорциональна площади диффузора. Соответственно драйверы большего диаметра порождают больше звукового давления. Второй фактор, способствующий воспроизведению громового баса,   длина рабочего хода диффузора, то есть максимально допустимые (с точки зрения безопасности для динамика) границы амплитуды его колебаний.

     При выборе динамика важно знать, какую мощностную нагрузку он способен безболезненно выдержать, насколько эффективно звуковая катушка  рассеивает тепловую энергию. Этот параметр напрямую связан с диаметром звуковой катушки и калибром намотанного на нее провода. Железное правило: мощность сабвуфера должна превышать мощность, подводимую от усилителя. К сожалению, не все производители НЧ-громкоговорителей честно сообщают нам об этой характеристике, зачастую в целях рекламы указывая несколько завышенные данные (впрочем, этим грешат и изготовители усилителей). Поэтому, чтобы динамик не сгорел, лучше все проверить самому.

     В свою очередь чувствительность динамика определяет, насколько эффективно он распоряжается мощностью, данной ему в нагрузку усилителем. Иначе говоря, звуковое давление, которое создает драйвер на расстоянии 1 метра при подаче на него сигнала мощностью 1 Вт. Впрочем, иногда показатель чувствительности динамика, указанный в его паспорте, не совсем адекватен реальному положению вещей. Все дело в том, что мощность (Рн) создается напряжением (U), зависящим от номинального сопротивления (Rh) драйвера. Если оно равно 4 Ом (что свойственно автомобильной акустике), то подается напряжение 2 В. А вот 8-омным домашним колонкам требуется уже 2,83В. На этой разнице можно сыграть, что многие производители и делают, указывая абсолютную чувствительность НЧ-головки, то есть измеренную при входном сигнале напряжением 2,83 В.

     Приемлемой чувствительностью для сабвуфера является показатель 90 дБ, но, как говорится, чем больше, тем лучше, ибо динамики с большей отдачей предъявляют меньшие требования к мощности усилителей. Это наглядно проиллюстрировано в таблице N4

     Как видно, разница даже в 3 дБ является весьма существенной и позволяет вдвое сэкономить на мощности усилителя. Но не спешите потирать руки. Здесь есть и свои подводные камни. Сабвуферы с высокой чувствительностью зачастую грешат более высокими частотами среза, а значит, сэкономив на мощности усилителей, можно легко потерять на самых что ни на есть глубинных басовых частотах. Иными словами, чувствительность динамика не следует рассматривать обособленно от его АЧХ (зависимость звукового давления от частоты).

     Амплитудно-частотная характеристика сабвуфера зависит как от самой головки, так и от типа, размера ее акустического оформления и акустических особенностей транспортного средства. Принято считать, что чем больше объем корпуса, тем ближе будет нижняя граница частотного диапазона к максимально допустимому для данного динамика значению. Как ее вычислить, не проводя практических испытаний, то есть до начала строительства ящика? Существует три "магические" характеристики, именуемые параметрами Тиэля   Смолла (Thiele   Small).

Параметры Тиэля - Смолла

     При построении сабвуфера никак не обойтись без трех базовых параметров: частоты собственного резонанса головки динамика (fs), его полной добротности на резонансной частоте (Qts) и объема воздуха с упругостью, эквивалентной упругости подвеса диффузора (Vas). Они обычно указываются производителем в сопроводительных документах изделия. Используя эти параметры, можно путем несложных вычислений сравнить примерные характеристики нескольких динамиков (в частности, получить нижнюю границу частотного диапазона головки) уже на ранних этапах установки, когда вы еще до конца не решили, какой тип бокса будет использоваться и какой НЧ-головке нужен объем для оптимальной работы. Формула выглядит следующим образом: ffb= fs  Vas. Предположим, вы выбираете между двумя 10-дюймовыми головками Ultimate AU1050 и Jensen JSW104. Вот их параметры (таблица N5):

      Как видно из результатов вычислений, несмотря на худшие показатели собственной резонансной частоты, нижняя граница частотного диапазона Jensen JSW104 находится приблизительно на 10% н