Самодельная акустика — мой долгострой. Серия 1.
Я человек одновременно увлекающийся, рассеянный и ленивый. Поэтому моя история про самодельную акустику (равно как и про любой другой DIY проект)- это длинный, вялотекущий сериал, наполненный случайностями и ошибками.. Заинтригованы? 🙂
Несколько лет назад, когда я начал интересоваться этой темой , я решил, что начинать эксперименты нужно на основе чего-нибудь дешевого. Звучит сомнительно, понимаю. Для своего проекта я выбрал самый популярный тип АС: 2-полосная система полочного типа. Такие акустические системы являются золотой серединой для среднестатистического любителя звука, живущего в обычной квартире. После продолжительных поисков компонентов была куплена пара мидбасовых динамических головок производства новосибирского завода НОЭМА: динамики 35ГДН-62–8 — дешево и сердито.
С этими динамиками я немного поигрался, провел несколько домашних тестов и благополучно убрал их на хранение в коробку. Вернулся к самоделке через несколько лет и не придумал ничего лучше, чем купить ВЧ головки на Алиэкспресс.. Да, я предупреждал, что мои истории наполнены неожиданностями и ошибками! Пищалки стоили недорого, при этом относились к гордой категории ленточных.
Однако когда они приехали из Китая, качество их исполнения наводило на мысли, что никуда они не годятся — хлипкий пластик, маленькие магниты и т.д. Измерения показали очень неровную АЧХ, с полого возрастающей характеристикой. Эти излучатели годятся максимум на роль супер-пищалок:
Неопытный аудиофил, возможно, подумает, что супер-пищалка — это такая более лучшая пищалка (супер же). На самом деле супер-твиттер — это дополнительный ВЧ излучатель, удел которого — работа в самой верхней части звукового спектра. Он обычно как бы дополняет основной ВЧ или ШП динамик, добавляет воздуха…
В общем, было решено оставить их в проекте и использовать как раз в роли супер-пищалок — не пропадать же добру! Для воспроизведения основного ВЧ диапазона были выбраны также довольно странные динамики — Visaton TW 70/8.
Это недорогие бумажные излучатели, которые чаще всего покупают для замены сгоревших пищалок в старой акустике. Если честно, я уже и не помню, почему выбрал именно их.. Могу лишь предположить по обрывкам знаний, что бумага на ВЧ дает хорошую полновесную атаку на перкуссионных инструментах.. В общем, тарелочки должны цокать натурально и полноценно :).
В защиту китайских ленточных пищалок все-таки стоит отметить их разрешение, которое я оценивал по графикам кумулятивного затухания спектра (waterfall). На таких графиках по оси Х расположена частота, по оcи Z амплитуда, а по оси Y (которая смотрит как бы на вас) — время. Для каждого момента времени после начала импульса приводится амплитудный спектр его “хвоста”. Чем короче импульс, тем быстрее затухает его waferfall. Приведенные ниже картинки лучше тысячи слов.
Как видно из приведенных графиков, у бумажного ВЧ динамика наблюдаются проблемы в интервале частот 1000–2000 Гц, что соответствует его резонансной частоте, а также серия продолжительных узкополосных “хвостов” правее по спектру. В то время как у ленты начиная с 3000 Гц все просто отлично — сигнал затухает быстро и без явных шероховатостей (правда, как выяснится потом, у ленты все гораздо хуже с уровнем нелинейных искажений, но об этом в следующей серии..)
В общем, имея на руках такой странный набор излучателей я решил строить свою самоделку.
Объем корпуса АС был рассчитан на основе рекомендаций производителя мидбасового динамика (да, ребята из Ноэмы оказались на удивление отзывчивыми и проконсультировали меня по почте по рекомендуемому акустическому оформлению) а также при помощи программного обеспечения BassBox Pro.
“оформление — фазоинвертор, объем 25 литров (+ заполнение объема жестким синтепоном), Fфи 45 Гц. Более ровная передаточная характеристика получается по рекомендациям из паспорта к ДГ, но снижается давление на НЧ и увеличивается ГВЗ.”
Fфи — частота настройки фазоинвертора, ГВЗ — групповое время задержки (очень важная штука в мире звука, мера того, на сколько отстает бас фазоинвертора от самого динамика).
В паспорте объем оформления рекомендуется целых 30 литров, но для меня и 25 литров оказались неприятным сюрпризом, поэтому решил следовать логике наименьшего зла.
Корпус довольно быстро был спроектирован в бесплатном Google Sketchup:
Признаться честно, расположение посадочных отверстий под динамики выбрано практически рандомно и никаких исследований на предмет взаимодействия излучателей с передней панелью корпуса я не делал (в свое оправдание могу лишь сказать, что для любого ВЧ излучателя лучше быть где угодно, только не на центральной оси колонки). Кроме этого, я допустил довольно серьезную ошибку в выборе размеров корпуса, точнее, пропорции между шириной, высотой и глубиной. Дело в том, что корпус АС — это не только объем, необходимый для изоляции задней части диффузора излучателя от полупространства, в которое работает передняя часть (иначе произойдет акустическое короткое замыкание и баса просто не будет), но и система, в которой во время излучения звука образуются стоячие волны, очень портящие этот самый звук: из-за этих резонансов, на АЧХ акустической системы появляются довольно неприятные неровности на частотах, соответствующих внутренним размерам корпуса. Если посмотреть на АЧХ мидвуфера, приведенное выше, то такие неровности можно увидеть в интервале от 500 Гц до 1 КГц (далее идут неровности, связанные уже непосредственно с особенностями самого динамика и его взаимодействия с “мордой” корпуса) — данная АЧХ снималась в закрытом корпусе объемом 20 литров. Когда проектировал корпус, я об этом просто не знал.. Поэтому высота и глубина корпуса получились практически одинаковыми. А если делать “как надо”, то нужно соблюдать определенную пропорцию между измерениями. Если честно, я ее не помню, но смысл в том, чтобы распределить длины сторон корпуса (а соответственно и частоты образования стоячих волн) таким образом, чтобы минимизировать неравномерность частотной характеристики, вносимую стоячими волнами, путем правильной интерференции их между собой. Какими были последствия такой неосмотрительности и как я с ними боролся, напишу позже. А пока покажу корпус АС, в том виде, который есть сейчас
Детали корпуса вырезались на станке ЧПУ из 18мм панелей МДФ. Подрядчика со станком я нашел на YouDo, им оказался интересный в общении мужик, который взял за работу немного денег. Корпуса получились пугающе тяжелыми и большими. Но, как говорится. фарш невозможно провернуть назад…
После склейки одного из корпусов и примерки динамиков я опять взял большую паузу. Жизнь постоянно наполнена множеством взаимоисключающих вещей. У меня выросла семья, появилось больше работы и меньше свободного времени. Мои колонки пылились на балконе. Иногда по возможности я делал некоторые измерения динамиков. Весьма не системные, стоит отметить..
Сравнительно недавно я достал корпус и продолжил с ним работу
Измерения начал с низкочастотного динамика, так как остальные будут приводиться к нему. Зачастую в многополосных системах приходится приводить чувствительность динамиков к одному значению и, как правило , всегда приводят именно к НЧ. На это есть несколько веских причин: получить высокую чувствительность на НЧ сложнее, чем на ВЧ; если даже есть возможность понизить чувствительность НЧ, то это обойдется большой кровью, так как на НЧ живет основная энергия звукового сигнала. Поэтому единственное что было сделано до работы с басовиком — сняты АЧХ всех динамиков и проконтролирован уровень чувствительности. Далее началась возня с НЧ..
Как я упоминал выше, в корпусе АС всегда образуются паразитные стоячие волны, которые в моем случае были абсолютно проигнорированы на этапе проектирования АС. Поэтому пришлось вести борьбу с ними уже по факту их ощутимого присутствия. Я не стал оригинальничать и пошел по пути подбора внутреннего наполнения и демпфирования корпуса. Дело в том, что в зависимости от материала демпфирования, внутренние резонансы и стоячие волны могут быть в той или иной степени компенсированы или хотя бы уменьшены. Так как я ленивый и спонтанный, я не стал далеко ходить в поисках материалов и использовал то, что есть : синтепон и куски обычного туристического коврика-пенки. Наверное, это выглядит комично, но тем не менее, такой наполнитель дал свои результаты. Синтепон я нарезал и сшил в толстые многослойные маты.
Ниже приведу АЧХ НЧ-динамика в корпусе с разным наполнением, снятую в ближнем поле (10 см от диффузора). Обратите внимание на интервал от 400 до 1000 Гц.
Как видите, таким нехитрым способом можно добиться весьма ощутимых результатов. На этом борьбу со стоячими волнами корпуса я решил закончить. И перешел к расчету фильтров.
Честно признаться, ни времени, ни желания на углубленное изучение теории построения АС в целом и разделительных фильтров в частности у меня нет. Все что я знаю — это некоторые обрывки информации по тем или иным вещам разной степени важности. Распространенная ситуация в мире увлечений, как мне кажется.
Для полноценного проектирования фильтра АС с получением более или менее прогнозируемого результата необходимо делать довольно точные измерения фазово-частотной характеристики излучателей как в ближнем так и дальнем поле. Точнее, измерения должны быть правильными. Точность измерений в совеменное время — не проблема. Дело в том, что обычно измерения происходят в условиях квартиры и в этом смысле ближнее поле просто необходимо — оно позволяет получить хоть какое-то представление о низкочастотной части спектра сигнала, благодаря относительно низкой амплитуде переотраженных и стоячих (комнатных мод) волн в точке измерения.
В общем-то проблема корректных измерений АЧХ и ФЧХ акустики в широком диапазоне частот — глобальная и давняя штука. В золотое время hi-fi крупные корпорации производители имели собственные безэховые камеры — единственный способ получить достоверные измерения в широком диапазоне частот. Для обычного же самодельщика доступны лишь такие вот измерения в дальнем и ближнем поле (с разной длинной окна анализа импульсной характеристикой).
Дальнее поле используется для измерения СЧ и ВЧ диапазона так как именно в дальнем поле мы слушаем нашу АС. Именно в дальнем поле еще на этапе измерений можно получить представление о звуковом поле с учетом взаимодействия излучателей между собой (с учетом интерференции сигналов от разных излучателей в точке прослушивания) и с лицевой панелью корпуса АС. Иногда у людей получается также в дальнем поле записать baffle-step эффект (подробное описание этого явления можно почитать здесь, например https://www.salksound.com/blogtopic.php?id=7), но в моем случае этого не получилось — морда у колонки слишком широкая, в следствие чего частота, на которой излучение переходит из полупространства в пространство, слишком низкая и не измерима в условиях моей комнаты. Но так как любой уважающий себя колонкостроитель этот самый baffle-step компенсирует, мне пришлось его моделировать программно.
Прежде чем приступить к анализу АЧХ динамиков и расчетам фильтров АС, я получил комбинированную АЧХ мибдаса: правая часть Спектра (правее 800 Гц) снята в дальнем поле 1 м, левая часть снята в ближнем поле с последующим программным добавлением модели baffle-step и сшивкой с правой частью.
Обратите внимание на схожесть АЧХ между двумя последними иллюстрациями: дальнее поле на 300–1000 Гц пусть упрощенно, но похоже на комбинированную кривую с моделированным эффектом baffle-step. Это говорит о корректности использованной модели baffle-step.
Не менее важным для корректного моделирования фильтров являются кривые импеданса и ФЧХ. Если с ФЧХ я разобрался более или менее сносно (снял ФЧХ в дальнем поле), то с импедансом пришлось похимичить. Так как полноценно измерить импеданс головок я не смог/не захотел, я его “нафотошопил” из частичных собственных измерений и частично из паспортных документов к головкам.
Для моделирования и построения фильтров была выбрана программа LspCad.
Наверное, стоит сделать небольшое пояснение, как это все происходит:
сначала в программу заводится информация об излучателях в виде АЧХ, ФЧХ и кривых импеданса. Далее программными способами в систему добавляются пассивные элементы фильтров и корпуса АС, и проводится моделирование получаемых АЧХ, ФЧХ и импеданса…