Времякогерентная 2-х полосная АС из дешевки или правильная доработка акустической системы (часть 3)

Давно у меня не было обновлений про доработку 2-х полоски... переключался на другие задачи. В это время акустика пылилась в незавершенном виде и статья подвисла в черновиках. Исправляюсь!

Во второй части статьи я привел результаты моделирования пассивного кроссовера и характеристик АС с учетом замены твитера на более подходящий, для лучшего согласования с мидбасом. Теперь настала очередь практических экспериментов по настройке акустики,  подтверждения смоделированных характеристик и финишная доработка АС.

Для нового кроссовера я позаимствовал катушки и медный провод с оригинального. В катушке индуктивности оригинального кроссовера используется провод небольшого сечения (экономия), если стремиться к минимизации потерь на сопротивлении индуктивности фильтра НЧ, то для нее необходимо использовать провод сечением от 1 мм, либо применить сердечник из специального сплава. В моем случае сопротивление катушки индуктивностью 1 mH составило примерно 1 Ом, что в итоге ведет к падению отдачи на НЧ. Учитывая и так небольшую чувствительность мидбаса, это может быть критичным, когда цель - получение максимально возможного качества и расчетных характеристик. Конденсаторы также не true, по аудиофильским меркам, но свою функцию выполняют исправно. В итоге получилось что-то вроде "я его слепила из того, что было", иначе стоимость фильтров превысит стоимость самой акустики, что для этой АС неоправданно, хотя бы потому, что качество мидбаса оставляет желать лучшего.

Добавление фазоинвертора

Оригинальное акустическое оформление АС - закрытый ящик. При этом у нее очень маленький объем корпуса - 5.8 л, а это практически в 2 раза меньше эквивалентного объема мидвуфера, что в сочетании с высокой частотой резонанса динамика (~60 Гц) душит воспроизведение НЧ. Снижение отдачи наблюдается аж с 200 Гц! Глубоким басом без выкручивания эквалайзера и не пахнет, а при выкручивании сильно растут нелинейные искажения. Чтобы скомпенсировать падение НЧ из-за малого объема корпуса и таким образом расширить диапазон воспроизводимых частот, имеет смысл добавить фазоинвертор (далее - ФИ), настроенный на частоту немного ниже резонансной частоты мидвуфера.

Какие плюсы у ФИ, на мой взгляд:

1. Простота расчета, изготовления и настройки.
2. Существенное снижение нижней граничной частоты воспроизведения без увеличения объема корпуса. 
3. Снижение нелинейных и интермодуляционных искажений на НЧ/СЧ, т.к. ФИ, благодаря резонансным свойствам, уменьшает амплитуду колебаний диффузора динамика вблизи и на частоте резонанса. Это заметно, если посмотреть на амплитуду колебаний при открытом и закрытом отверстии ФИ во время воспроизведения музыки насыщенной басами. 

Расчет ФИ выполнялся в программе JBL SpeakerShop. Для качественного расчета нужны достоверные параметры Тиля-Смолла мидвуфера. Поскольку их не найти в интернете для этого динамика, пришлось самостоятельно провести измерения с помощью программы ARTA (LIMP). Но даже если эти параметры известны, все равно рекомендуется измерить их для конкретного динамика, т.к. параметры могут отличаться в зависимости от партии и времени, прошедшего с даты изготовления.

Результаты измерений параметров ТС в LIMP

Для расчета длины ФИ также нужно определиться с диаметром (площадью) отверстия. Существуют рекомендации по вычислению оптимальной площади отверстия ФИ в зависимости от площади диффузора, их можно найти в интернете (я особо не заморачивался и не буду на этом останавливаться). Чтобы труба ФИ не получилась слишком длинной и не упиралась в противоположную стенку, выбрал диаметр, равный 3 см. Длина трубы ФИ получилась равной 8.7 см.

Результаты расчета фазоинвертора в JBL SpeakerShop.  Подъем АЧХ +3Дб на 150 Гц будет скомпенсирован общим снижением отдачи мидвуфера на НЧ.

Отверстие под ФИ вырезано с помощью коронки по дереву, диаметром немного больше расчетного, чтобы учесть толщину стенок трубы ФИ. Труба скручена в несколько слоев из картона и впоследствии выкрашена изнутри в черный цвет.

Настройка когерентности звучания 

Для определения оптимального смещения твитера относительно мидвуфера я перевернул корпус АС так, чтобы мидвуфер оказался сверху и установил твитер на верхнюю плоскость, таким образом сблизив центры динамиков (важно, чтобы при настройке смещения расстояние между центрами динамиков было максимально приближено к расстоянию между центрами в завершенной АС).

Размещение твитера при настройке time alignment 

Вначале попробовал найти оптимальное смещение на слух, двигая в небольших пределах твитер, до 3 см вглубь от лицевой панели. При прослушивании обращал внимание на четкость голоса исполнителя и глубину сцены. При этом не обязательно голос исполнителя должен звучать в центре между парой АС, на некоторых записях он может быть смещен правее или левее от центра. В итоге, найденное на слух смещение драйверов составило 13 мм.
При прослушивании следует обращать внимание на "размытость" голоса в пространстве и сложность с определением из какой точки пространства он звучит. Явное свидетельство кривой ФЧХ на СЧ, т.е. в области раздела полос - плохая его локализация. При этом нельзя однозначно сказать: "Да, я абсолютно четко слышу, что голос исполнителя звучит вот из этой точки, где у меня находится телевизор/картина (или еще что-то, что обычно размещается в комнате между колонками :))!". При смещении твитера достаточно хорошо слышно, в какой момент происходит локализация. Дополнительно можно попробовать переключиться в моно режим и по общему "облаку" звука добиться максимально возможного эффекта воспроизведения музыки из центральной точки между парой АС.
Во время настройки фазового согласования драйверов обязательно нужно отключить все обработчики звука в настройках звуковой карты компьютера и усилителя (регуляторы тембра, эквалайзер, расширители стереобазы и пр.). На АС должен поступать чистый сигнал!

После субъективных тестов настала очередь измерений. Микрофон расположил на уровне центра твитера и на расстоянии 1.5 м от акустики.

Первые измерения показали, что я достаточно точно определил смещение: форма ФЧХ и ПХ были близки к расчетным. Затем начал экспериментировать, сдвигая твитер на +/- 1.5 см от найденного  этого положения, чтобы подтвердить субъективный результат. И тут меня ждал небольшой сюрприз... ПХ и ФЧХ менялись очень незначительно возле "точки когерентности". Вероятнее всего это связано с низкой частотой раздела полос - 2000 Гц, на которой длина волны достаточно большая (17 см), поэтому сдвиг твитера в пределах +/- 0.5 см не оказывали существенного влияния на вышеуказанные характеристики и были близки к околоидеальным для акустики на фильтре LR2. И как в этом случае быть, как еще точнее определить необходимый сдвиг? Как оказалось, для этого достаточно взглянуть на АЧХ. Т.к. пассивный фильтр АС был оптимизирован в LspCad с учетом фазы на частоте раздела, сдвига драйверов и минимума отклонения АЧХ от прямой, то оптимальное положение твитера можно найти, визуально сравнивая АЧХ для различных положений твитера. Диапазон отклонения АЧХ от прямой, по которой выполнялась оптимизация в LspCad, будет меньше всего при правильном смещении твитера.

Черная линия АЧХ при смещении твитера на 15 мм вглубь. Красная - при смещении на 10 мм вглубь. Голубая - при нулевом смещении 

Оранжевая линия - это ФЧХ акустики при смещении твитера на 10 мм. Резких поворотов фазы нет, и для данной АС ее можно считать оптимальной.

Переходная характеристика типична для когерентной 2-х полосной АС на фильтре LR2, в котором включение твитера инвертировано - первый пик от твитера направлен вниз и плавно (  без смещения) переходит в пик от мидвуфера.

Переходная характеристика АС при оптимальном смещении драйверов

Для реализации смещения драйверов, из фанеры были сделаны накладки (проставки) необходимой толщины.

Дефекты накладки обрабатываются шпатлевкой по дереву. Затем поверхность ошкуривается и красится валиком в черный цвет. Накладка крепится к лицевой панели с помощью шурупов и клея.

Для минимизации нежелательных отражений ВЧ верхняя грань накладок скошена под небольшим углом

Боковые стенки корпуса АС изнутри дополнительно покрыл слоем виброизоляции, т.к. несмотря на наличие перегородки, увеличивающей жесткость стенок, их вибрация все-таки ощущалась. После виброизоляции отзвук стенок на простукивание заметно изменился в лучшую сторону.

Свободный объем корпуса заполняется синтепоном, за исключением пространства между фазоинвертором и мидвуфером. Наличие звукопоглотителя в виде ваты или синтепона позволяет немного увеличить виртуальный объем корпуса АС. При таком малом объеме это просто необходимость для получения более-менее глубокого баса.

Результаты прослушивания

Ожидаемо, звучание АС в корне изменилось. Акустика стала звучать тонально ровно и сбалансировано. Звук стал привычным, масштабным и не отбивает желание слушать музыку на этой акустике. Бас, благодаря добавлению ФИ, стал умеренно глубоким и мягким, "бубнение", которого боятся противники ФИ, отсутствует, несмотря на неоптимальную для прослушивания комнату. Используемый купольный твитер до ленточника не дотягивает, это выражается в некоторой "завуалированности" ВЧ (сказывается менее быстрый отклик). На ВЧ присутствует легкий "песочек", который отчасти может быть связан со слишком низкой частотой раздела полос, близкой к резонансной частоте твитера, а может я просто привык к звучанию ленточника. К сожалению, повышение частоты раздела возможно только при замене мидвуфера.
А вот сцена после доработки существенно улучшилась и приобрела голографичность, проявляется это в четкости прорисовки звуковых образов инструментов и голоса, появился объем и масштаб. Кажущиеся источники звука чаще звучат вне пространства между парой АС и не "прилипают" к акустике. Благодаря только этому эффекту готов прощать все оставшиеся погрешности.

Что касается АЧХ акустики. По рисунку ниже видно, что глубокий и широкий спад АЧХ в области СЧ-ВЧ ликвидирован. Неравномерность в области от 200 Гц до 20 кГц укладывается в +/-3 Дб, а в области 1-20 кГц и того меньше. Неравномерность АЧХ мидвуфера все равно достаточно высока и немного портит общую картину, но некритично. Думаю, если повысить отдачу мидвуфера, снизив сопротивление индуктивности фильтра НЧ, то АЧХ еще немного выровняется в диапазоне 100-700 Гц.

АЧХ акустики до доработки (черная линия) и после (красная линия)

Итоги

Доработка получилась не самая простая и скорее всего не всем такой подход будет доступен. Но только основательный подход (измерения, расчет и оптимизация фильтров) позволит обеспечить существенный/заметный рост качества звучания АС, а не то, что как правило, пишут на форумах (ни в коем случае никого не хочу обидеть, сам  раньше был таким :)). Как не хотелось бы, ну не обойтись заменой проводов, которые даже в самой дешевой акустике, как правило, нормальные! Менять конденсаторы имеет смысл, только если производитель применил неполярные электролиты, чтобы сэкономить, но при этом нужно устанавливать конденсаторы той же емкости. Меняя на слух конденсаторы заводского фильтра на конденсаторы другой емкости, звук действительно изменится, но вероятнее всего в худшую сторону. Существенного роста качества звучания при этом не добиться.

В своей статье я привел только один вариант реализации акустики с приемлемой ФЧХ - на фильтрах Линквица-Райли 2-го порядка. Существует множество других вариаций: комбинация фильтров разных порядков, например 2-го (НЧ) и 3-го (ВЧ) порядка; фильтры Линквица-Райли 4-го порядка и др. При этом каждый вариант требует индивидуального подхода к измерениям и настройке, учета множества дополнительных факторов. Каждый вариант будет звучать по разному и у каждого будут свои плюсы и минусы. Все больше склоняюсь к тому, что оптимизация и настройка АС сродни искусству, требующему опыта и индивидуального подхода для имеющейся конфигурации. Чем больше вникаешь в тему, тем больше появляется вопросов и открытий.

Буду признателен за ваши комментарии, ссылки на неточности и замечания. Всем хорошего звука!

Ссылки на предыдущие статьи:
Часть 1
Часть 2

PS:
Акустика отправляется к сыну в детскую, пусть привыкает к хорошему звуку :)