все о профессиональном звуке

Акустические системы для клубов и залов

Кто из нас не пытался понять таинство превращения электричества в звук? Этот вопрос не перестает быть предметом дискуссий и экспериментов, хотя последние фундаментальные работы в области акустических систем были опубликованы более 40 лет назад учеными Тиле и Смоллом (N. Thiele и R. Small). Эти работы позволили определить электротехнические эквиваленты механическим и акустическим параметрам громкоговорителя и акустического ящика, что позволило применить теорию электрических цепей для анализа поведения динамического громкоговорителя в акустическом ящике.

Теперь же с помощью персонального компьютера и программы моделирования, можно исследовать поведение различных конструкций акустических систем, на что раньше уходили годы труда и кубометры фанеры.

В настоящее время технология производства громкоговорителей и акустических систем существует в двух видах - массовое производство на автоматизированных линиях и мелкосерийное производство. Понятно, что обычная бытовая техника изготавливается на конвейере. В производстве профессиональной аппаратуры велика доля ручного труда, применяются более дорогие материалы и технологии. Производство подвижных систем, магнитов, и многих других комплектующих сосредоточено на специализированных фирмах, поэтому, как и в персональных компьютерах, внутри акустических систем разных фирм можно обнаружить комплектующие одного и того же производителя. Фирмы с большими объемами производства могут позволить себе иметь достаточно обширный модельный ряд акустических систем, удовлетворяющий разным условиям применения. С удовлетворением можно отметить, что и некоторые отечественные производители освоили компьютерное моделирование, и с помощью импортных комплектующих для громкоговорителей делают высококачественные акустические системы.

Наибольшее распространение в качестве электроакустических преобразователей для акустических систем получили динамические громкоговорители, в которых электрический ток преобразуется в механическое движение с помощью звуковой катушки, находящейся в магнитном поле. Этому способу скоро 100 лет, и с тех пор прогресс в создании магнитных материалов, улучшении свойств материалов подвижной системы и термостойких компонентов звуковой катушки привели к значительному росту максимального звукового давления, развиваемого акустическими системами.

С другой стороны, наблюдается миниатюризация акустических систем при сохранении широкой полосы воспроизводимых частот. Конструкторы акустических систем решают задачу поиска компромисса между звуковым давлением, и полосой воспроизводимых частот, габаритами и стоимостью. При постоянном уменьшении стоимости усилителей в расчете на один ватт важное значение приобретает способность громкоговорителя работать с усилителями большой мощности. Для сравнительной оценки максимальной термической мощности, рассеиваемой разными конструкциями громкоговорителей, можно считать, что, чем больше площадь витков звуковой катушки и больше площадь металлических деталей, находящихся в непосредственной близости (менее 0,4 мм) от катушки, тем больше тепла рассеивается, снижая температуру катушки. Звуковые катушки низкочастотных громкоговорителей с диаметром катушки 4" и специальными теплоотводящими радиаторами - алюминиевыми вставками в каркас около звуковой катушки - позволяют рассеивать до 600 Вт. Статистические свойства звукового сигнала обнаруживают большие (12 дБ) уровни пиков относительно среднего (RMS) уровня сигнала. Мощность усилителя для работы без искажений выбирается с запасом в 2-4 раза относительно тепловой мощности громкоговорителя. Работа в режиме без искажений нагружает громкоговоритель на величину не более 25% от мощности усилителя при синусоидальном сигнале, но работа с искажениями чревата перегрузкой звуковой катушки и выходом громкоговорителя из строя. Для повышения звукового давления применяются мембраны из прочных, жестких и легких материалов. Специальная бумажная композиция по комплексу характеристик - все еще наиболее распространенный материал, и производство бумажных мембран осуществляется несколькими заводами по заказу изготовителей громкоговорителей.

Рупорные громкоговорители работают по иному принципу, чем громкоговоритель в ящике. Рупор позволяет обеспечить К.П.Д. порядка 25% для любого громкоговорителя, а верхняя граница полосы воспроизводимых частот ограничена жесткостью и массой подвижной системы с одной стороны, и индукцией в зазоре с другой. По этой причине любой динамик (драйвер) при индукции в магнитном зазоре около 2 Тл имеет спад излучаемой мощности 12 дБ/окт., начиная примерно с 8 кГц.

Воспроизведение низких частот в традиционных ящиках с фазоинвертором сопряжено с большим ходом диффузора. Излучаемая мощность, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна произведению длины хода диффузора на его площадь, то есть объему смещения. Для низкочастотных динамиков двухполосных систем ход диффузора 6 мм можно считать предельным, поэтому дальнейший рост звукового давления на низких частотах достигается за счет использования громкоговорителей с большей площадью диффузора. Низкочастотные громкоговорители имеют длинные и тяжелые звуковые катушки, что отрицательно влияет на К.П.Д. акустической системы. Низкочастотная граница воспроизведения акустической системы зависит от согласования свойств ящика и громкоговорителя. Объем ящика изменяется пропорционально площади диффузора, поэтому можно иметь хорошо звучащую акустическую систему малого объема с громкоговорителем диаметром 7" и менее.

Рассмотрим, в порядке возрастания требований, различные конструкции акустических систем.

Простейшие профессиональные акустические системы очень похожи на бытовые и чаще всего применяются в качестве недорогих контрольных агрегатов. Это двухполосные акустические системы с купольным высокочастотным излучателем (твиттером), обладающие высокой равномерностью частотной и фазовой характеристик, широкой диаграммой направленности. Например, для помещений небольшого объема, в которых не требуется высокая эффективность акустической системы, оптимальным решением будет акустическая система с 7" вуфером и 1" купольным твиттером. Конструкция купольного твиттера для воспроизведения высоких частот должна быть очень легкой, и это ограничивает подводимую к звуковой катушке мощность.

Для увеличения звукового давления в мощных профессиональных акустических системах купольный громкоговоритель заменяется более эффективным рупорным, дающим прирост звукового давления более 10 дБ. НЧ-динамики диаметром 12" или 15" совместно с рупорными высокочастотными головками с частотой раздела 1200 Гц являются наиболее оптимальным сочетанием в двухполосных системах, предназначенных для воспроизведения музыки на расстояние не более 6 метров.

Если от акустической системы требуется большое звуковое давление, то следует применять трехполосные системы, состоящие из 18" НЧ- и 10" СЧ-громкоговорителей и высокочастотного драйвера. Драйверы бывают с 2"-, 3"- или 4"-мембраной. Если 2"-драйвер имеет крепление на рупор с 1"-горлом, то 3"- или 4"-драйверы предназначены для крепления на рупора с 1,4" или 2"-горлом. Узкое горло рупора является источником нелинейных искажений из-за неравномерного движения воздуха в зоне высокого звукового давления. Эти искажения зависят от компрессии воздуха на пути распространения звука, начиная от мембраны и включая горло рупора. Специфические "рупорные" искажения возникают задолго до достижения усилителями максимальной мощности, поэтому эксплуатировать драйверы на максимальной мощности - значит работать с большими искажениями. Существующие акустические системы при полной нагрузке имеют значения коэффициента нелинейных искажений от 1 до 10%. Субъективная оценка качества неоднозначно связана с коэффициентом нелинейных искажений, но в качестве ориентира можно рассматривать спецификации фирмы Electro-Voice для акустической системы MT4, где уровень второй и третьей гармоник для громкоговорителей на полной мощности в рабочей полосе частот не должен превышать 2%.

Сравнение двух популярных рупорных систем одного производителя показало, что искажения в 5% достигаются при подводимой мощности всего 3 Вт для комбинации 2" драйвер на 1" рупоре, и 12 Вт для комбинации 4" драйвер на 2" рупоре. Хороший ВЧ-драйвер должен воспроизводить звук в диапазоне частот от 1,2 кГц до 16 кГц, то есть в диапазоне наибольшей чувствительности человеческого уха к искажениям. По этой причине качество звучания акустической системы на 90% определяется качеством звучания драйвера. Драйверы с выходным отверстием 1" в сравнении с 2" серьезно проигрывают в качестве звучания, хотя они намного дешевле.

Взаимодействие звуковой катушки с магнитной цепью громкоговорителя на больших амплитудах колебаний связана с частичным выходом катушки из магнитного зазора, что приводит к появлению третьей гармоники. Для ВЧ-драйверов вообще не существует режима измерения второй и третьей гармоник на максимальной мощности усилителей, потому что через пару секунд драйвер просто сгорит. Поэтому искажения принято измерять при мощности 10%. В этом режиме наиболее заметна вторая гармоника, уровень которой относительно мал у нижней границы диапазона и увеличивается пропорционально частоте, что связано с нелинейной упругостью воздуха при высоком акустическом давлении в горле рупора.

С субъективной точки зрения, импульсный, богатый обертонами спектр речи и музыки хорошо маскирует этот вид искажений, но если вы захотите эквалайзером поднять 12 или 16 кГц, то сразу услышите эти искажения. Это свойство драйверов, а также сильное поглощение высоких частот в воздухе, приводят к значительному спаду звукового спектра выше 10 кГц в больших залах.

Что же касается частотной характеристики, то достижение высоких звуковых давлений всегда идет в ущерб равномерности частотной характеристики, которую можно скорректировать активным эквалайзером. В этом смысле гораздо важнее обеспечить равномерную диаграмму направленности, чтобы все точки зала воспринимали один и тот же частотный баланс. Иногда можно встретить дискотечные системы, в которых драйверы отсутствуют, а вместо них к рупорам прикручены маленькие динамики. Такая конструкция обладает низким звуковым давлением и, как правило, ведет к перегрузке и выходу из строя динамиков.

Для озвучивания площадок глубиной до 15 метров следует задуматься об уменьшении неравномерности звукового поля на разных расстояниях от акустической системы. Для решения этой задачи применяются глубокие рупора, формирующие диаграмму направленности 90о х 40о или 60о х 40о. Рупор совместно с 10"-динамиком очень эффективно работает в полосе частот 160…1600 Гц, что сразу выявляет недостаточное давление низкочастотной полосы в традиционном ящике с фазоинвертором. Для согласования по звуковому давлению низкочастотную секцию тоже делают рупорного типа. Рабочий диапазон низкочастотного рупорного излучателя обычно находится в пределах 50…250 Гц. Звучание таких рупоров имеет одно свойство - резкий спад частотной характеристики ниже рабочей полосы частот рупора. Это не мешает озвучивать рок-н-ролл, однако лишает мягкости музыку других стилей.

Если не рассматривать дорогие стационарные звуковые системы, где размеры и толщина стенок акустических систем не являются препятствием, то следует подумать и о мобильности акустических систем. Конструкция рупорного громкоговорителя должна иметь замкнутую камеру малого объема сзади громкоговорителя. Это необходимо для ограничения максимального хода диффузора на частотах ниже рабочего диапазона рупора, что позволяет увеличить надежность акустической системы. Конструкции рупорного громкоговорителя с использованием ящика с фазоинвертором позади динамика позволяет немного увеличить звуковое давление на частоте настройки фазоинвертора, но это достигается ценой снижения мощности усилителя, чтобы избежать предельных амплитуд смещения диффузора. Рупор впереди и камера позади громкоговорителя создают идеальные условия для работы, когда при относительно малой амплитуде колебаний громкоговоритель способен развивать высокое звуковое давление. Ввиду большой площади диффузора НЧ-динамика по сравнению с драйвером звуковое давление в горле рупора не достигает величины, вызывающей существенные искажения.

Новейшие технологии звукоусиления используются в туровых концертных акустических системах. Редко, когда одна акустическая система может обеспечить звук достаточной равномерности и громкости на всех зрительских местах. Решить эту задачу может только применение кластеров, состоящих из нескольких акустических систем. Способность эффективной совместной работы в кластере столь же важна для отдельной акустической системы, как и ее характеристики.

Вот некоторые требования к туровым акустическим системам:

- соотношение "акустическая мощность/объем акустической системы" должно быть максимальным;
- для формирования желаемой диаграммы направленности акустические системы должны монтироваться в кластер;
- транспортировка должна осуществляться на колесном ходу;
- при перевозке АС в стандартном контейнере они должны упаковываться без излишних зазоров;
- монтаж и демонтаж акустических систем должен осуществляться двумя техниками.

В условиях, когда сэкономленный транспортный вес, объем, или минута монтажа, помноженные на количество концертов, дают существенный финансовый выигрыш, применяются дорогостоящие высокоэффективные громкоговорители и драйверы. Для воспроизведения звука в диапазоне от 40 до 80 Гц почти всегда применяются субвуферы.

Тут следует пояснить, почему так популярны системы с субвуферами. Воспроизведение низких частот имеет свои закономерности как в конструкции громкоговорителей и физике эффективного излучения низких частот, так и в субъективном восприятии этих частот. Обычно частоту деления между субвуфером и остальной широкой полосой частот устанавливают примерно 80 Гц. Выбор этой частоты обусловлен следующими обстоятельствами: человеческий слух не локализует направление излучения звука из субвуфера, и его можно располагать свободно по отношению к широкополосной колонке. Более высокие частоты раздела вызывают раздельную локализацию на субвуфер и широкополосную колонку, и звуковой образ становится пространственно разорванным.

Следующий фактор - это гораздо большая терпимость слушателя к избыточному уровню низких частот на большой громкости. В этом случае звук из субвуферов воспринимается больше как вибрация тела, чем как нагрузка на уши. По этой причине субвуферы можно ставить на пол. Еще один фактор - нет эффекта затенения, низкие частоты легко огибают препятствия и наполняют звуком все пространство зрительской аудитории. Это дает возможность размещать субвуферы на полу отдельной группой, над которой подвешиваются на специальную раму широкополосные акустические системы.

Рабочий частотный диапазон субвуферов позволяет использовать полости и каналы корпусов акустических систем для создания узкополосных резонаторов, дополнительно нагружающих мембрану громкоговорителя и предотвращающих её чрезмерное смещение. Эти приёмы активно используются в конструкциях типа Bandpass. Такие акустические системы отличаются компактностью, большой мощностью и ограниченным самой конструкцией диапазоном частот.

В последнее время становится популярным еще одно применение акустических систем - это кинотеатральные системы. Звук в современном кино - результат стандартизации всего тракта записи/воспроизведения звука, и здесь он должен вписаться в стандартные требования к акустическим системам. Цифровой звук предполагает соответствующие по динамическому диапазону акустические системы построенные по двух- и трехполосному принципу. Важнейшим требованием к заэкранным системам является нормированная диаграмма направленности, дающая реалистичное воспроизведение эффектов и диалогов на всей площади зрительских мест. Для этого в средней и верхней полосе применяются рупора значительных размеров.

При выборе акустической системы следует учитывать качество громкоговорителей, тип акустической системы, а также качество изготовления ящика. Не следует особенно доверять спецификациям акустических систем не турового класса. Опыт показал, что заявляемые производителем необычные для данного типа акустических систем параметры (звуковое давление, полоса воспроизводимых частот, мощность и др.) на деле оказываются маркетинговым ходом, рассчитанным на неосведомленных потребителей. Кроме того, при покупке следует осведомиться о возможности ремонта сгоревших громкоговорителей и замены мембран драйверов. При использовании пассивных разделительных фильтров должны применяться фильтры с крутизной спада 24 дБ на октаву, а для защиты драйверов должно быть исключено применение ламп накаливания - лампы уменьшают коэффициент передачи драйверов при увеличении громкости, что очень заметно.

Удешевление производства акустических систем за счет использования громкоговорителей с диаметром звуковой катушки менее 3" сильно снижает мощность громкоговорителя, а отсутствие полноценных драйверов обрекает на грязный искаженный звук. А если ваш бюджет недостаточен для покупки дорогой профессиональной акустической системы известного производителя, то покупайте ее у отечественного производителя - пока он не овладел технологией изготовления корпусов из прессованного картона.

24 сентября 2015

Сергей Левшин

Пока никто еще не оставлял комментарии. Вы можете быть первым.

Возможность оставлять комментарии доступна только для зарегистрированных пользователей.

Новые статьи

Результаты XVI Всероссийского Конкурса творческих работ студентов-звукорежиссеров им. Виктора Бабушкина

01 мая 2018

Участники XVI Конкурса студентов-звукорежиссеров им. В. Бабушкина

23 марта 2018

Конкурс творческих работ студентов-звукорежиссеров имени В.Б. Бабушкина-2018

27 февраля 2018

143 конгресс AES - научные результаты

28 января 2018

Церемония награждения лауреатов

16 декабря 2017

Конкурс концертных звукорежиссеров - репортаж

13 декабря 2017

Московский Конкурс молодых концертных звукорежиссеров - итоги

06 декабря 2017

Видеотрансляция Конкурса концертных звукорежиссеров

02 декабря 2017

Внимание, конкурс!

29 ноября 2017

Участники конкурса концертных звукорежиссеров

22 ноября 2017