Что означает частотный диапазон динамиков
Акустические системы: читаем технические характеристики (часть 6)
Тем, кто видит характеристики акустических систем впервые и никогда раньше не сталкивался со всем этим набором информации, можно только посочувствовать. На первый взгляд, все сложно. Хотя с другой стороны, для того, чтобы разобраться, вполне достаточно знания школьного курса физики.
Сохранить и прочитать потом —
Наверное, все упростится, если прокомментировать по порядку реальный набор характеристик, который, кстати, я бы рекомендовал получать из фирменного документа под названием Info Sheet — Информационный лист. Такой PDF-файл можно скачать на сайте практически любого изготовителя акустики для практически любой его модели. Именно там, как правило, все описывается наиболее коротко и ясно.
Сопротивление или импеданс
Итак, по порядку. Сопротивление или импеданс. В одних случаях указывается одно, в других — другое, и в этом есть определенное лукавство. Да, если подсоединить омметр к клеммам акустического кабеля, мы получим требуемые 4, 6 или 8 Ом с точностью ±10%. Только вот беда, это измерение некорректно: мы используем постоянный ток, а нас интересует сопротивление переменному току в звуковом диапазоне частот. И заметим: голосовая катушка динамика по определению не может иметь линейное (не зависящее от частоты) электрическое сопротивление — ведь это индуктивность! А если учесть, что у динамика есть резонансные частоты, и в составе колонки таких динамиков несколько, плюс все это объединяет и вовсе нелинейная схема кроссовера, то измеренное нами сопротивление постоянному току становится просто ориентировочной цифрой.
График замера импеданса (сопротивления)
Корректным параметром становится импеданс, под которым, как правило, имеется в виду сопротивление переменному току — в нашем случае различное на разных частотах. Чаще всего, он представляется в виде графика такой зависимости. В серьезных моделях колонок такой график часто прилагается. Для колонок сопротивлением 8 Ом на определенных частотах импеданс может «проседать» втрое — скажем, до 2-3 Ом — и это способно стать серьезной проблемой для работы подключенного к колонке усилителя. Более-менее ровная кривая импеданса у многополосной системы — признак серьезного уровня разработки АС.
Диапазон воспроизводимых частот
Следующий параметр — диапазон воспроизводимых частот. Если в этом пункте указано что-то типа «35 Гц – 25 кГц» — и все, то в этом случае я рекомендую сразу воскликнуть что-то типа режиссерского «Не верю!». Поскольку перед нами — очередное лукавство, и у продавцов недорогих систем оно встречается довольно часто. Да, наша колонка может воспроизводить 35 герц. Но на этой частоте ее чувствительность (о которой, в данном случае, изготовитель скромно умолчал) может быть очень небольшой. В результате в этом месте (оно называется нижний предел) частотная характеристика может иметь «завал» — спад децибел на 20. А это, в свою очередь, означает, что на этой заветной низкой частоте, которая так важна для воспроизведения «панча», колонка звучит, по ощущениям, тише раза в 3-4. То есть, практически молчит. То же самое касается и верхней граничной частоты диапазона.
Пример измерения АЧХ акустики
Корректно диапазон частот, указанный в технических характеристиках, будет выглядеть только в сочетании с показателем неравномерности частотной характеристики в децибелах во всем этом диапазоне. И данные типа «диапазон частот 35 Гц – 25 кГц при неравномерности ±3 децибела» сразу же вызывают уважение и серьезное отношение к продукту. Оптимально, если в документации эти данные проиллюстрированы графиком АЧХ — амплитудно-частотной характеристики, где по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной — звуковое давление.
Важным, хотя и не так часто встречающимся, является указание диапазона частот и его неравномерности при отклонении от оси на угол, как правило, 15-30 градусов. Этот параметр позволяет оценить, насколько широка направленность звучания колонок. От нее, в частности, зависит величина «пятна» объемного звучания — области, в которой слушатели получат качественный пространственный эффект. От этого, в свою очередь, зависит, сколько «посадочных мест» может располагаться в образованном новыми колонками зрительном зале в условиях конкретной комнаты, что особенно важно не только для классического стерео, но и при использования акустики в системах домашнего кинотеатра.
Чувствительность
В связи со всем вышесказанным, перейдем и к параметру «чувствительность». Она измеряется в децибелах. Этот показатель, в какой-то степени указывает на степень совершенства нашей колонки. Практически это — ее КПД, коэффициент полезного действия. Для современной акустики этот параметр находится в пределах около 83-95 децибел. Понятно, что высокие значения чувствительности, особенно для классической многополосной системы, достигаются путем множества серьезных и часто затратных технологических усовершенствований.
Схема измерения чувствительности колонок
Повышение чувствительности на 6 децибел приводит к ощущению, что при том же входном сигнале акустика звучит приблизительно вдвое громче! И кстати, для того чтобы поднять громкость на 3 децибела, диффузор динамика должен колебаться с приблизительно удвоенной амплитудой. Для маломощного усилителя, а это, в частности, большинство ламповых моделей, звук которых столь привлекателен, нужна акустика именно с высокой чувствительностью.
Максимальное звуковое давление
В технических параметрах пользовательской акустики (в отличие от профессиональных моделей) этот показатель указывается достаточно редко. Максимальное звуковое давление, естественно, также измеряется в децибелах и, очевидно, может быть косвенно вычислено из данных о чувствительности и максимальной мощности.
Сознательно не залезая в подробности и условия измерения этих параметров, скажем только, что для получения полной совокупности впечатлений от аудио, более-менее устоявшимся считается предел в 90 дБ — на этой громкости (фиксируемой, как правило, в метре от излучателя, в то время, как слушатели располагаются гораздо дальше), многие протоколы испытаний рекомендуют производить тестовое прослушивание. Для сравнения, комплекты дискотечной аппаратуры для залов работают на уровнях до 130 (топы) – 140 (субы) дБ. Это уровень, приближающийся к болевому порогу. Серьезная домашняя акустика, в среднем, выдает максимальные 100–110дБ, и, ради всего святого, пожалейте своих соседей!
Коэффициент нелинейных искажений
Это очень важная характеристика, которая, тем не менее, также нечасто фигурирует в параметрах колонок. Методики ее измерения бывают не совсем корректны. И все же, для качественных моделей она не превышает одного процента, для колонок хорошего уровня это треть процента (0,32% – 0,37%) практически во всем диапазоне частот, и лишь на низах этот параметр может перевалить за 1 процент. Если учесть, что именно на низких частотах наши уши не очень восприимчивы к искажениям, то такой «скачок» не критичен.
Еще одна особенность: КНИ резко возрастает при высокой громкости. Следует понимать, что в звуковом тракте «источник — межкомпонентный кабель — предварительный усилитель — межкомпонентный кабель — оконечный усилитель — акустический кабель — колонка», именно акустическая система является источником наиболее серьезных искажений, хотя подробнее об искажениях, наверное, стоило бы поговорить в связи с усилителями.
Мощность
И раз упомянуты усилители — самое время перейти к мощности. Это тема также «усилительная», но и в приложении к колонкам в ней немало интересного. В параметрах колонки, чаще всего, указывается рекомендованная мощность усилителя в виде двух чисел — минимального и максимального значения. Например, читаем, что для некоей напольной пассивной акустики, указывается минимальная мощность усилителя 20 Вт, максимальная — 200. Это значит, что при мощности усилителя ниже 20 Ватт колонка не сможет обеспечить приемлемый диапазон звукового давления (громкости), ограниченный ее чувствительностью. А при мощности выше 200 Ватт изготовитель, очевидно, не гарантирует сохранность колонки.
При превышении максимальной мощности (часто используется термин «пиковая» мощность или другое, на усмотрение изготовителя) происходит лавинообразное нарастание искажений, затем динамик может перейти в режим клиппирования — когда части подвижной системы ударяются в ограничивающие их смещение детали динамика. Это отмечается характерными щелчками. Появление таких щелчков — верный признак того, что динамику осталось работать совсем недолго. Не стоит доводить до этого.
Окно программы для разработки акустики VituixCAD
Как ни странно, очень важно при выборе колонок обратить внимание не только на цифры технических характеристик, но и на типы излучателей, их особенности и размеры. Особенно стоит оценить совокупный размер диффузоров низкочастотных драйверов. Наличие единственного прямонаправленного низкочастотного динамика с диффузором диаметром 5 дюймов очень плохо сочетается с заявленной нижней граничной частотой 30 Гц, особенно при неравномерности 3 децибела — а такие надписи доводилось видеть у недобросовестных изготовителей.
Все вышеупомянутые параметры акустики важны не только для понимания того, как она зазвучит, но и для того, чтобы правильно подобрать комплект «колонки-усилитель». Общие принципы достаточно просты. Максимальная мощность усилителя должно быть заведомо меньше, чем максимальная мощность акустики. А ее чувствительность, поведение импенданса, особенности схемы требуют серьезного анализа для понимания, какой усилитель станет оптимальным выбором. Но это — тема для другого рассказа.
Акустические системы: поговорим о звуке (часть 1)
Этой статьей мы начнем цикл материалов о конструкции акустических систем, их свойствах и важных характеристиках, в которых стоит разобраться тому, кто решил, как минимум, обдуманно купить себе колонки или же хочет подробнее изучить, почему все работает именно так, а не иначе. Цикл рассчитан на новичков в мире аудио, но будет полезен и тем, кто уже все знает, чтобы освежить свои знания или написать свое мнение в комментариях. Итак, начнем мы, однако, не с акустики, а со звука, потому что единственная задача акустики — создать звук.
Что такое звук?
В учебнике сказано: «Колебательные движения частиц, которое распространяется в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах». Давайте отбросим лишнее и поговорим только о слышимом звуке (кроме него ведь еще существуют ультразвук, инфразвук и т.д.).
Звук — это, на самом деле, не движение воздуха (газа) в пространстве, а волновые, периодические изменения давления этого самого газа. Звук является волновым излучением, подчиняется соответствующим физическим законам, которые описывают его распространение и взаимодействия. Согласно этим законам мы можем описать звук по нескольким характеристикам. Возьмем основные: частота, амплитуда (форма колебаний) и скорость.
Что такое частота звука?
Частота — это количество колебаний за единицу времени. Конкретней — число колебаний в секунду. Измеряется в герцах. Одно колебание в секунду — один герц (Гц). Если еще вспомнить, что звук распространяется в воздухе со скоростью около 350 метров в секунду или около 1250 км/ч, то достаточно легко понять, что частота и скорость связаны между собой. И эта связь дает нам возможность определить длину звуковой волны: чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот.
Почти традиционно считается, что человеческий слух позволяет услышать диапазон частот «20–20» — от 20 Гц до 20 кГц, другими словами, от 20 колебаний в секунду до 20 000.
Не все частоты одинаково громкие
При этом матушка-природа наделила нас с вами достаточно избирательным слухом. Психоакустические исследования показывают, что лучше всего человек слышит самое для себя важное — человеческую речь. Эти звуки располагаются в диапазоне частот в районе 3000 Гц. Где-то в этом районе и находится максимальная чувствительность наших с вами ушей.
На других частотах она уменьшается, изменяясь в виде плавных кривых. Эти кривые показывают, с какой громкостью человек воспринимает звуковые колебания равной амплитуды. Эти данные важны не только для расчета акустических систем, но и для правильного понимания природы восприятия звука.
Они были получены статистическим способом, когда в субъективном оценивании громкости звучания на разных частотах принимало участие большое количество людей. В честь авторов этой научной разработки линии равной громкости называются кривыми Флетчера-Мэнсона.
Как мы понимаем, откуда пришел звук
Ответ простой: потому, что у нас есть голова и два уха! Если одно ухо вдруг не работает, это можно частично компенсировать быстрым поворотом головы. Слух при наличии двух ушей называется бинауральным. Он позволяет нам локализовать источник звука.
Это происходит потому, что звук приходит к правому и левому уху с небольшой задержкой или, если выразиться точнее, со сдвигом по фазе. Так как длина звуковой волны достаточно большая, в оба уха обычно поступает одна волна, но разные ее участки — фазы.
Этот сдвиг анализируется нашим мозгом, легкий поворот головы — и мы уже готовы приблизительно указать на какой ветке сидит птица, хотя разглядеть ее все равно не получится.
И чем выше звук, то есть, чем больше его частота, тем легче определить направление на его источник — сильнее проявляется фазовый сдвиг. А вот на низких частотах длина волны становится больше, чем расстояние между ушами, поэтому определить источник звука гораздо сложнее.
Почему одни звуки красивые, а другие нет?
Здесь почему-то тянет взять серый том Фейнмановских лекций и освежить воспоминания о рядах Фурье — но будем проще: любое колебание можно разложить на несколько колебаний с меньшей длиной волн. Эти меньшие волны — и есть гармоники, и сколько их укладывается в длине основной волны — две, три и т.д. — определяет их четность или нечетность. Как оказалось, нечетные гармоники воспринимаются нашим слухом дискомфортно. Причем вроде все играет правильно, но дискомфорт остается.
Более явный неприятный звук — диссонанс, две частоты, работающие одновременно и вызывающие редкие биения. Если хотите еще наглядней, то нажмите близлежащие черную и белую клавиши на пианино.
Есть и противоположность диссонанса — консонанс. Это сама благозвучность, например, — такой интервал, как октава (удвоение частоты), квинта или кварта. Кроме того, комфортности звучания мешают маскирующие его шумы различной природы, искажения и призвуки.
Ясно, что шум — то, что мешает в принципе. Звуковой мусор. Впрочем, есть и белый шум, этакий эталон шума, в котором присутствуют равномерно все частоты (точнее — спектральные составляющие). Если вы хотите уйти от источника белого шума, то по ходу удаления он будет розоветь. Это происходит потому, что воздух сильнее ослабляет верхние частоты слышимого спектра. Когда их меньше, тогда говорят о розовом шуме.
Чем громче шум по отношению к полезному звуку, тем больше этот звук маскируется шумом. Падает комфортность, а затем — и разборчивость звучания. Это же относится и к нечетным гармоникам, и к нелинейным искажениям, о которых мы еще поговорим более подробно. Все эти явления взаимосвязаны и, самое главное, — все они мешают нам слушать.
Нота — высота звука и его частота — зависит от специальности
В понимании звука, судя по всему, есть две крайности — понимание звукоинженера и музыканта. Первый говорит «440 Гц!» второй — «нота Ля!». И оба правы. Первый говорит «частота», второй — «высота звука». Впрочем, известно немало отличных музыкантов, которые вовсе не знали нот. При этом специалистов в области акустики, не знающих физических основ в этой области, еще никому не удавалось встретить.
Важно понимать, что оба этих специалиста по-своему занимаются комфортным звучанием. Автор музыкального произведения, инстинктивно, или опираясь на консерваторские знания, строит звук на принципах гармонии, не допуская диссонансов или искажений. Конструктор, создающий колонки, изначально не допускает посторонних призвуков, минимизирует искажения, заботится о равномерности амплитудно-частотной характеристики, динамике и многом, многом другом.
Громкость, звуковое давление — пределы и ориентиры
С громкостью все не так просто. Она относительна. Подумайте сами, ведь абсолютной тишины не существует. То есть, она в природе есть, но попадание в такое место превращается в пытку — вы начинаете слышать стук своего сердца, звон в ушах — все равно тишина исчезает.
Поэтому звуковое давление измеряется относительно некоего нулевого уровня в децибелах (дБ). Это логарифмические единицы, ведь логарифмическая шкала наиболее точно соответствует природе слуха. Если немного углубиться в теорию, нужно вспомнить эмпирически установленный закон психофизиологии Вебера-Фехнера, который описывает работу органов чувств. Согласно этому закону, интенсивность ощущения чего-либо прямо пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя. В случае звука, это — амплитуда (размах) колебаний.
Разница приблизительно в шесть децибел воспринимается нами, как удвоение громкости. Добавление трех децибел на низкой частоте требует удвоения амплитуды колебаний источника звука, но на слух это замечает не каждый слушатель! Такие вот парадоксальные, на первый взгляд, данные.
Поведение звука
Оно всегда предсказуемо, если вооружиться определенными знаниями. Звук может отражаться от поверхности, поглощаться ею, проникать сквозь нее. При этом каждый вариант — лишь частичный. Отражение звука приводит к эффекту эхо, звукоинженеры еще называют его реверберацией. Это сложный процесс. В любой комнате есть своя реверберация, многократная, по-своему затухающая, с определенными частотными характеристиками. Затухающая потому, что часть звука все-таки поглощается стенами.
Но если звук сделать громче, то, в зависимости от выбранного звукового давления, через некоторое время (оно линейно зависит от громкости в дБ) в стену начнут стучать соседи. Это значит, мы выяснили, что часть звука проходит сквозь стену. Правильное соотношение всех этих свойств — очень важный параметр для комфортного звучания.
Та же реверберация должна быть оптимальной. Если ее практически нет, говорят, что комната переглушена. Если ее слишком много — вы слышали такое на вокзале, — страдает разборчивость звука. Существуют определенные критерии для правильной акустической обстановки, о них мы писали, например, в этой статье.
Еще один источник аудионегатива — резонирующие объекты. Скажем, хрусталь в стеклянном шкафу. И когда все эти факторы приведены в норму — поздравляю, мы с вами находимся в акустически комфортном помещении!
В таком помещении особенно хорошо звучит качественное аудиовоспроизводящее оборудование и его главная составляющая часть — акустические системы.
Аудиофилия. Ватты и Герцы.
На данный момент существует несколько способов оценки звучания аппаратуры. Основных два. Субъективная оценка и объективная: субъективная — основывается на слуховой оценке эксперта, объективная — исходя из технических характеристик. На первый взгляд кажется, что второй способ более достоверен. Ведь недостатки первого очевидны. Человек неидеален, поэтому оценки могут сильно меняться от квалификации и опыта эксперта. От его психологического настроя, заинтересованности, наконец! Но тем не менее, я являюсь сторонником именно этого способа. Почему?
Давайте разбираться! Какие характеристики, считаются важными для аудиоаппаратуры и как это коррелируется с качеством звука.
Сколько нужно Ватт?
Этот вопрос встает у каждого покупателя усилителя. И самый распространенный ответ на него «чем больше — тем лучше». Зачем? Вы думаете усилитель в 100 Вт. на канал в два раза громче 50-ти Ваттного? Мало того, что это не так. Но и использовать эту мощность вы никогда не будете. Самые продвинутые скажут, что чем мощнее, тем меньше искажений на рабочей громкости. Они же растут пропорционально уровню сигнала. Абсолютно верно, но вот только у современных усилителей этот параметр давно находится, за гранью заметности.
Ватт — это единица измерения мощности, т.е. количество работы, совершаемой в единицу времени. Какую работу совершает усилитель? Двигает динамик, для того, чтоб тот преобразовывал электрические колебания в звуковые. На это влияет множество факторов, зависящих не только от самого усилителя, но и от характеристик динамика. Насколько он будет сильно сопротивляться выполнению этой работы, насколько он эффективен (т.е. его КПД, сколько полезной энергии уйдет на нагрев, сколько на сопротивление подвесу, измеряется в процентах), его способность преобразовывать электрическую энергию в звуковую (чувствительность, измеряется в Децибелах на Ватт). Думаю понятно, что работа усилителя, в конечном итоге преобразуется в звук с потерями.
То есть даже на громкость будет влиять множество факторов, обычно в характеристиках даже не указанных, что же говорит о звуке в целом?
Ну и это не все. Мощность указываемая в технических характеристиках. измеряется в определенных условиях. Каких? Идеальных. Во первых она измеряется на определенной частоте — 1000 Гц, до появления определенного процента искажений (КНИ в процентах). Кстати далеко не все производители указывают, при какой же величине искажений, производились измерения. Измеряют лабораторными приборами. Но в жизни усилитель будет нагружен, на не идеальный динамик и воспроизводить он будет не синусоиду. А главное, что происходит на других частотах?
Так, что мощность не главная и далеко не единственная характеристика, влияющая на звук. Так почему же все обращают на нее внимание?
Потому, как покупая, тот или иной товар потребитель хочет быть уверенным в правильности выбора. А как выбрать, глядя на коробку? Смотреть на цифры! Чем больше, тем лучше. А производителю главное продать, кто будет копаться в тонкостях приведенных характеристик или признается себе, что не слышит чего-то выдающегося?
Ну хоть что-то означают эти цифры?
У усилителей, мощность вовсе не говорит о качестве звучания и лишь косвенно о громкости и возможности усмирять акустику.
По моему опыту звучать достойно и громко могут усилители Ватт от 15! Вы не верите? Вы просто не слышали Audio Note Ongaku!
История, почти такая же, как с Ваттами. Во-первых, измерять можно по разному. Во-вторых объясните мне, глядя на эти графики, как звучат колонки в жизни? При том, что измерения проводились на синусоиде, а не музыкальном сигнале.
Почему говоря о влиянии амплитудно-частотной характеристики мы коснулись именно акустики?
Только у нее может быть такая сильная неравномерность АЧХ.
С сопротивлением та же история. Пишут результаты идеальных измерений, а в реальности:
И так с любой характеристикой. Поэтому даже зная точные и подробные результаты измерений, можно лишь примерно понять, чего ждать от звука.
Чувствительность. Для акустики, в принципе, чем больше, тем громче! Но на поверку оказывается, хватает и 87 Дб/Вт! Хотя от 90, можно вообще не заморачиваться.
Коэффициент демпфирования. Говорит о способности усилителя работать со сложной нагрузкой (читай Любой акустикой). По идее, чем больше тем лучше. Обычно хорошим считается от 100. Правда, порой это достигается утяжелением, неповоротливостью, грубостью звука.
А самое главное, влияют на это ВСЕ компоненты системы. И говорить надо об общем звучании, при их взаимодействии. На основе т.х., понять какой будет звук не представляется возможным.