На этапе начала работы была полная ясность с басовым звеном, для которого был выбран SEAS H1209 в закрытом корпусе объемом 50 литров.  По монитору предстояло  определиться с выбором приемлемых компромиссов,  а это требовало опробования нескольких вариантов.  Дальнейшая работа подтвердила целесообразность  выбора двухкорпусной конструкции, вариантов оказалось  довольно много.  В этой статье будут рассмотрены два варианта трех полосных мониторов  и вопрос их сопряжения  с басовым звеном.

На фото 1 показан внешний вид макета басового модуля, на рис.1 – чертеж корпуса.   Внутренний объем корпуса примерно на 30 процентов заполнен синтепоном низкой плотности. На рис.2 показана АЧХ по звуковому давлению динамика SEAS H1209, измеренная вдоль оси по методике Ground plane.

Методика  Ground plane предполагает проведение измерений вне помещения на открытом пространстве, в результате удается исключить влияние отражающих поверхностей  и получить достаточно полное представление об АЧХ в низкочастотном участке звукового диапазона.   Эта методика рекомендована  в руководстве по применению LMS и LEAP 4.6.

Измерения показывают, что Н1209 в закрытом корпусе объемом 50литров имеет резонансную частоту 45 Гц при полной добротности 0,68 . На частоте 45 Гц  басовый модуль обеспечивает звуковое давление 83 дБ при напряжении 2,83 В на расстоянии 1М. Объемное смещение Н1209 позволяет получить на частоте 50 Гц звуковое давление 98 дБ на расстоянии  1м.  На рис.3 показана симуляция АЧХ Н1209 в корпусе басового модуля, работающего совместно с активным фильтром, в котором используются два звена первого порядка с частотами среза 70 и 700 Гц.

Внешний вид макета трех полосного монитора показан на фото 2. В мониторе используются динамики с металлическими диффузорами:    DAYTON RS180S-8, Tang Bang W4-1337SD  и   Fountek CD3.  Чертеж корпуса монитора показан на рис.4. Полезный объем корпуса равен 10 литрам. В качестве акустического оформления  W4-1337SD  используется полусферический колпак фирмы VISATON  типа АК 18.13 с объемом 0.8 литра. Снаружи колпак оклеен в два слоя полосками герлена, внутренний объем колпака заполнен синтепоном.

На рис.5 и 6 показаны АЧХ  по звуковому давлению и зависимости от частоты сопротивлений  динамиков,  установленных в корпус монитора.  АЧХ измерены вдоль оси динамиков на расстоянии 1м при напряжении 2.83 В и обработаны с помощью программного обеспечения LMS.  Обработка включает усреднение АЧХ в интервале 0.2 октавы и вычисление минимально фазовых  ФЧХ. Кроме того, АЧХ динамика СD-3  на частотах ниже  1.5   кГц аппроксимирована прямой линией.  Это связано с методикой вычисления ФЧХ,  кроме того, мне не удалось нормально померить АЧХ  CD-3 при входном напряжении 2.83 В. При измерении на скользящем тоне, начиная с 2кГц  и ниже, дребезжащие призвуки показались мне настолько  сильными,  что пришлось отключить сигнал из опасения повредить динамик.  Стало ясно, что при проектировании фильтров кроссовера необходимо принять меры по защите ВЧ динамика от перегрузки низкими (для CD-3) частотами.  При проектировании фильтров были приняты во внимание еще некоторые  соображения, о которых стоит упомянуть. Усреднение АЧХ в интервале 0.2 октавы, которое делается для удобства пользования оптимизатором при симуляции, уменьшает высоту резонансных пиков, свойственных динамикам с металлическими диффузорами, на 4-6 дБ, что может привести к ошибочной оценке подавления фильтрами нежелательных выбросов на АЧХ.

  Встает вопрос о том, насколько необходимо подавить резонансные пики фильтрами для приемлемого качества звучания.  Ответ на этот вопрос можно получить  только по результатам прослушивания.   Из опыта работы с «металлическими»  SEAS EXCEL мне известно, что подавления на 20 дБ относительно уровня, на который сводится кроссовер  вполне достаточно.  В качестве первого приближения  при симуляции фильтров кроссовера  можно принять указанную норму, не забывая о том, что динамики  SEAS EXCEL имеют качественный линейный мотор. Не имея достоверной информации о линейности мотора используемых динамиков, можно только  сделать некоторые не слишком оптимистические предположения.  С увеличением мощности, подаваемой на динамик, резонансные пики, которые не видны на суммарной АЧХ громкоговорителя,  будут сильно подчеркивать гармоники  кратные частоте резонанса. Подавление фильтром резонансного пика не поможет, поскольку сигнал, генерирующий гармоники на нелинейности мотора, может попадать в полосу прозрачности фильтра.  На слух  это воспринимается как кратковременное  возрастание искажений на отдельных нотах, что особенно заметно при воспроизведении вокала. Мне показалось, что в динамике  W4 1337SD описанный выше эффект начинает проявляться при подводимой мощности 6-8  Вт, что соответствует звуковому давлению 94-96  дБ.   По совокупности параметров динамик   W4 1337 производит приятное впечатление (особенно в сравнении с VISATON TI 100), несмотря на заметный разброс параметров, который потребовал отбора и разбраковки динамиков в пары. Приятно удивили результаты измерения параметров  TS динамиков RS180S-8. Параметры шести экземпляров динамиков, которые мне удалось померить, имели отклонения не более 5%  от указанных изготовителем значений.           В этой работе не ставится задача дать обоснованную оценку качества продукции изготовителей динамиков, это нельзя сделать, имея 4 - 6 образцов, кроме того, рассуждения, связанные с нелинейностью мотора динамиков не подкреплены измерениями.   

На рис.7 показан результат симуляции АЧХ трех полосного монитора.  Провал в 2дБ на АЧХ среднечастотной головки связан с формой передней панели монитора.  Подъем  АЧХ на частотах выше 10 кГц умышленно не устранен в связи с относительно узкой диаграммой направленности ВЧ головки  в вертикальной плоскости. При необходимости выровнять АЧХ можно путем подключения параллельно ВЧ головке емкости  0.5 – 1 мкФ.

На рис.8 показан результат симуляции зависимости от частоты входного сопротивления громкоговорителя.  Минимальное значение входного сопротивления составляет  6 Ом на частоте 140Гц.

На рис.9 показан результат симуляции передаточных характеристик фильтров кроссовера.  Частоты раздела  600 и 4000 Гц. На частоте раздела 600 Гц  сформированы спады АЧХ  второго порядка  Линквица - Рейли, требующие противофазного включения динамиков. На частоте раздела 4000 Гц – четвертый порядок по Линквицу-Рейли.  

Средства измерений и проектирования, которыми я располагаю, дают вполне удовлетворительную достоверность результатов симуляции входного сопротивления и передаточных характеристик фильтров, а с результатами симуляции АЧХ дело обстоит несколько  сложнее.  Применительно к данному проекту я имею в виду в первую очередь ошибки в определении положения акустических центров динамиков по глубине  (по координате Z)  и ошибки в вычислении ФЧХ методом Боде-Гильберта.    В связи с этим схему  кроссовера  после симуляции приходится корректировать,  как минимум два раза, – по результатам измерений  и по результатам прослушивания. На рис. 10 показана схема кроссовера  с корректировками по результатам  измерений.  В кроссовере используются конденсаторы и катушки фирмы MUNDORF начального уровня.   На рис.11 показаны две АЧХ монитора - симулированная и измеренная микрофоном по оси ВЧ головки на расстоянии  1м в комнате. Измеренная АЧХ  усреднена в интервале  0.2 октавы.  Измеренная и симулированная АЧХ имеют расхождения.  Кроме причин расхождения, которые изложены выше, нужно еще принять во внимание влияние комнаты.  При измерениях скользящим тоном на расстоянии 1м микрофон фиксирует прямой и отраженный сигнал.

Измеренная в комнате АЧХ в сравнении с симулированной  (рис.11) позволяет составить вполне адекватное представление  о стоячих волнах и отражениях от пола. Например, стоячая волна между полом и потолком дает ярко выраженный пик на частоте 55 Гц, имеются также пики на частотах 110 и 220 Гц. Мне кажется, что пытаться устранять  эти неравномерности АЧХ  путем переделки кроссовера не имеет смысла. В области средних и высоких частот по результатам измерений  не всегда удается получить  представление о тональном балансе громкоговорителя, которое необходимо для корректировки кроссовера.  В  формировании восприятия тонального баланса участвует прямой и отраженный звук.  Соотношение между прямым и отраженным звуком зависит от акустических свойств помещения и диаграммы направленности громкоговорителя. Некоторое представление об этом  можно получить с помощью результатов измерений, показанных на Рис 12 и 13.   

На рис. 12 показано семейство пяти АЧХ  монитора, измеренные  в комнате на расстоянии 1м вдоль оси ВЧ динамика и под углами + - 5градусов , +- 10 градусов в вертикальной плоскости.  На рис.13  показан результат  усреднения по амплитуде (RMS)  АЧХ, измеренных под разными углами для двух мониторов, что дает представление о разбросе АЧХ в паре.  Соотношение прямого и отраженного излучения в точке прослушивания  по сравнению с измерениями на расстоянии 1м  меняется в сторону увеличения отраженных сигналов,  в дальнейших корректировках  придется полагаться на прослушивание. Мои впечатления от прослушивания в части тонального баланса мониторов вполне положительные, устранять провал АЧХ в области средних частот, мне кажется, не нужно, пока не получены замечания от нескольких экспертов.  Я привык с опасением относиться к своим впечатлениям от прослушивания,  полагая, что крайне трудно объективно оценивать  собственные поделки, а в настоящее время добавилась еще возрастная потеря слуха.  Было принято решение провести  измерения  в точке прослушивания, поставив мониторы на басовые модули  и укрепив микрофон на спинке дивана (Фото 3).

На рис. 14 показаны АЧХ мониторов, измеренные в точке прослушивания  на расстоянии 2.5 м.  АЧХ, показанные на рис. 14, свидетельствуют о том, что для прослушивания в моей комнате заниматься провалом  в районе 3500 Гц нецелесообразно, а желательно снизить уровень  звукового давления в полосе 1500 -2500 Гц.   По моей просьбе мониторы прослушали не менее 10 любителей,  были высказаны разные мнения, но никто не отметил необходимость корректировки АЧХ  в области верхней середины.  В заключение выскажу свое мнение о качестве звучания мониторов. Высокое разрешение, приемлемый тональный баланс с небольшим акцентом на средние частоты  и хорошую локализацию КИЗ можно отнести к достоинствам, хотя относительно тонального баланса это спорно. Основной недостаток – заметность искажений на уровнях звукового давления более  87 дБ в точке прослушивания.  Мне кажется, что повышенная заметность искажений связана с быстрым их ростом  по мере повышения уровня входного сигнала.  Ухо очень остро реагирует на переход от чистого звука  с высоким разрешением, к загрязненному звуку, поскольку рост искажений сопровождается множеством неприятных для восприятия эффектов, в том числе потерей разрешения и ухудшением локализации КИЗ.

В процессе разработки четырех полосного громкоговорителя  были рассмотрены два варианта сопряжения басового модуля и монитора с помощью активных фильтров, схемы которых показаны на рис 15.  Симуляция показывает, что оба варианта, условно названные «противофазный» и «синфазный» позволяют получить практически одинаковые  АЧХ, которые показаны на рис.16. Прослушивание обнаруживает заметную разницу в воспроизведении низких частот. Замечу, что первое сравнение на слух вариантов согласования проводилось на даче, в помещении, где практически отсутствуют стоячие волны и где на характер звучания низких частот оказывают влияние только отражения от пола. «Синфазный» вариант показался мне существенно лучшим по звучанию. Это было особенно заметно при воспроизведении ударных инструментов.  Звук барабана в «синфазном» варианте казался более собранным и энергичным, общий характер звучания был слитным. В «противофазном»  варианте  слитность звучания была значительно хуже, звучание низкого баса как бы отрывалось от всего остального. Техническая интерпретация  впечатлений от прослушивания связана с групповым временем задержки фильтров, которое при низких частотах раздела становится реально слышимым фактором.  Более наглядная интерпретация получается с помощью импульсных характеристик.

 На рис.17 показаны импульсные характеристики «синфазного» и «противофазного» вариантов согласования.  Разница в импульсных характеристиках достаточно наглядна и в комментариях не нуждается. Остается принять решение о выборе  варианта согласования для четырех полосного громкоговорителя. «Синфазный» вариант имеет преимущество в части воспроизведения  басов, но его существенный недостаток состоит в том, что на басовый динамик монитора попадает весь спектр низкочастотного сигнала, что приводит к росту искажений, связанных с увеличением амплитуды колебаний звуковой катушки.  «Синфазный вариант» предъявляет более жесткие требования к басовому динамику монитора.  «Противофазный»  вариант эффективно разгружает басовый динамик монитора от самых низких частот, что приводит к заметному уменьшению искажений.  При выборе варианта согласования стоит принять во внимание также влияние помещения, которое может сильно уменьшить  заметность преимуществ воспроизведения басов, свойственных «синфазному» варианту.  Мне показалось, что для монитора, который рассмотрен выше, можно принять  «синфазный» вариант согласования с басовым модулем, поскольку искажения в области нижней середины не являются  существенным ограничением при его использовании.

Следующий монитор, оказался более пригодным для «противофазного» варианта согласования с басовым модулем. Внешний вид макета монитора, установленного на басовом модуле, показан на фото 4. Чертеж корпуса монитора показан на рис.18. Корпус монитора изготовлен из МДФ толщиной 24 мм, он выглядит несколько массивнее предыдущего. В качестве басового динамика  в этой конструкции  используется Tang Bang W6 – 1559S.  Динамическая головка W6-1559S имеет звуковую катушку диаметром 75мм, в данных изготовителя указана индуктивность звуковой катушки 0.32 мГн.   К сожалению, при измерениях обнаружилось, что индуктивность звуковой катушки  0,9 мГн. Остальные параметры соответствовали данным изготовителя.  С этим динамиком пришлось еще основательно повозиться при установке в корпус. Посадочное место под  динамик  было изготовлено тщательно и точно, но никак не удавалось поставить динамик. Оказалось, что соединение нейлоновой корзины и усиливающего металлического кольца выполнено со смещением. Пришлось  на двух динамиках обрезать участки нейлоновой корзины, выступающие за пределы металлического кольца. В процессе выполнения этой операции сожаления об отсутствии в России дилера по продаже продукции Tang Bang  плавно угасли.  0,9 мГн. Остальные параметры соответствовали данным изготовителя.

Динамическая головка  для средних частот D75MX-41-08 оказалась определяющей в звуковом подчерке этого монитора. Мягкий купол динамика D75MX-41-08  дает легкую специфическую окраску звука, которая, как мне кажется, не мешает хорошо передавать звучание женского вокала. Здесь уместно привести высказывание одного из любителей, который прослушивал мониторы. «Играет грязно, но грязь сильно не раздражает, она почти музыкальная».  Для высоких частот был выбран  ленточный  Neo CD3.

  АЧХ динамиков, установленных в корпус, показаны на рис.19.  АЧХ измерены вдоль оси динамиков на расстоянии 1м при напряжении 2.83В.  Результаты измерений усреднены в интервале 0,2 октавы. На рис. 20 показаны результаты измерения зависимостей от частоты входных сопротивлений TB1559, D75 и  CD3.  Данные измерений АЧХ и входных сопротивлений использовались для симуляции фильтров кроссовера с помощью программы Lsp CAD.   При симуляции по координате Z были приняты следующие расстояния: TB1559 – 30mm, D75 – 0, CD3 – 6mm.  Для удобства сравнения файлы из  Lsp CAD транслировались  в  LMS, что позволило выводить на экран одновременно результаты измерений и симуляции в одном формате.

На рис. 21 показан результат симуляции АЧХ монитора вдоль оси ВЧ динамика на расстоянии 2.5 м при входном напряжении 2.83 В. Частоты раздела выбраны соответственно 800 и 5000 Гц. Поскольку купольная головка  дает излишнюю яркость  звучания на средних частотах,  АЧХ  придана форма, которая имеет тенденцию к  небольшому провалу в середине.

На рис.22 и 23 показаны зависимость от частоты входного сопротивления и передаточные характеристики фильтров кроссовера.   При симуляции  спады АЧХ динамиков по возможности подгонялись к форме спадов фильтров Линквица – Рейли четвертого порядка. Все динамики включены в фазе. Электрическая схема кроссовера показана на рис.24.  На рис.25 показаны в сравнении симулированная  АЧХ и АЧХ  монитора, установленного на подставку в середине комнаты, измеренная на расстоянии  1м при напряжении 2.83 В.  Данные симуляции и измерений имеют наиболее существенное расхождение в интервале частот 3500 – 6000 Гц, где сильнее всего сказываются ошибки в вычислении ФЧХ и определения задержек.

  АЧХ мониторов,  измеренные в точке прослушивания показаны на рис.26.  Мониторы при измерении были установлены на басовые модули. Кривые, показанные на рис. 26, позволяют получить некоторое представление о влиянии акустических особенностей помещения на АЧХ громкоговорителей.

К  достоинствам мониторов можно отнести тональный  баланс без заметно выраженных акцентов и хорошую локализацию КИЗ. Звучание мониторов можно оценить как удовлетворительное, если характерные особенности подачи звука мягкой купольной головкой в сочетании с ленточной пищалкой не приходят в противоречие с индивидуальными предпочтениями. При увеличении уровня входного сигнала искажения нарастают плавно, что несколько снижает их заметность.  В сравнении с «металлическими» мониторами   присутствует некоторая окраска звучания, которая может раздражать особо взыскательных слушателей.  При сравнительном прослушивании симпатии привлеченных мной экспертов разделились почти поровну с небольшим перевесом в пользу «металлических» мониторов.

В заключении мне хотелось бы поблагодарить всех, кто участвовал в создании громкоговорителей, а именно А.Сухова, В.Кабочкина за помощь в изготовлении электронных узлов, В.Вязникова, выступившего инициатором разработки «металлического» монитора и оказавшего помощь в доводке кроссоверов. Г.Крылова, О.Коржавина за помощь в приобретении комплектующих изделий, С.Агеева за ценные консультации по теоретическим вопросам. Отдельно хочу поблагодарить П. Арановского, Л. Губина, Д. Демьяненко, М.Козлова, О.Коржавина, Ф. Круля, В. Луханина, Mr-Marlen, В. Пронского, Ю.Хохрякова, А. Шубина потративших время на прослушивание четырех полосного громкоговорителя и высказавших замечания, которые позволили мне реалистично оценить результаты работы.