Татевян Г.Р. (сентябрь 2000, рукопись)

Сцена (за кулисами)

Потратив две недели отпуска на ее поиски и обобщив опыт свой и моих друзей, я готов кое-что рассказать.

Рассказ я решил построить так: сперва опишу главные трудности построения, как пишут в некоторых журналах "передней сцены" (живо представляю себе заднюю, нижнюю и все остальные сцены); потом расскажу про основные схемы установки фронтальной акустики; кратко остановлюсь на известных мне преимуществах и недостатках этих схем; расскажу о своих мытарствах.

Сразу оговорюсь, что некоторые выводы и предложения, сделанные в этих заметках существенно расходятся с опубликованными в различных СМИ  (да и вообще принятыми де-факто многими для построения фронта) рекомендациями.

Что мешает "передней сцене" быть ?

Несимметричное расположение динамиков

Специфика расположения слушателя в автомобиле не позволяет в 99% случаев расположить динамики левого и правого каналов на одинаковом расстоянии от слушателя. Это приводит к отставанию звука дальних динамиков от звука ближних динамиков в точке прослушивания. Это в свою очередь влияет:

1. На линейность АЧХ, интерференция правого и левого сигналов приводит к провалам и пикам в несколько децибел в диапазоне частот, где человеческий слух наиболее чувствителен (300Гц-6000Гц). Пример ниже показывает искажение АЧХ при несимметричном расположении слушателя относительно двух широкополосных динамиков: Lr=135 см, Ll=100 см.

2. На локализацию КИЗ (кажущихся источников звука) из-за особенности слуха определять направление на источник звука, как минимум, по трем параметрам сигнала: фазе, громкости и изменению спектра. В диапазоне частот до 800-1500 Гц направление на источник в основном определяется по фазе сигнала (другими словами тот сигнал, который достиг точки прослушивания раньше определяет направление на КИЗ, но при превышении некоторого порогового значения амплитуды сигнала дальнего источника направление может быть определено и по его сигналу). На частотах выше 800 Гц фактором, определяющим направление на КИЗ, становится громкость сигнала. Из-за особенности слуха определять направление на неподвижные источники хуже, чем на подвижные, динамическое изменение спектра сигнала (из-за интерференции, например, при записи живого исполнения, когда исполнитель двигается по сцене) может привести к искажениям высоты сцены и локализации КИЗ в немыслимых точках воображаемой сцены.

3. На фокусировку КИЗ. Разница в расстояниях от левого и правого источников до точки прослушивания всего в 35-40 см к тому, что на частотах ниже 300-400 Гц звуковое давление от ближнего источника почти на 3 дБ больше, чем от дальнего. Выше этого диапазона сферическая звуковая волна постепенно вырождается в плоскую (для сферической волны громкость обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, а для плоской волны - обратно пропорциональна расстоянию от источника) и разница в громкости источников становится неразличимой (менее 1-2 дБ) с ростом частоты. Это свойство, как не трудно догадаться, приводит к дрожанию и размазыванию КИЗ при изменении частоты звучания и при богатом тембре звука (хорошо заметно на мужском и женском вокале и духовых инструментах).
   

4. К фазовым искажениям исходной звуковой информации, внизу приведен график показывающий "набег" фазы между сигналами левого и правого динамиков, зависящий от частоты, при Lr=135 см, Ll=100 см.

Несовпадение акустических центров динамиков

Такого же рода искажения АЧХ и ФЧХ системы вызывает неоптимальное расположение динамиков работающих на одну сторону в многополосных системах. Как пример приведена АЧХ системы только для левой стороны двух-полосной системы с частотой раздела полос 2500 Гц, 12 дБ/октава, при расстояниях до мидбаса 1.05 м., до твитера 0.95 м.

Описанные выше недостатки характерны для точечных источников звука с плоскими в звуковом диапазоне АЧХ и ФЧХ и с круговой диаграммой направленности. Реальные автомобильные акустические системы таковыми не являются, что еще больше запутывает ситуацию. Ну и, само собой, различные элементы конструкции салона привносят свой непредсказуемый вклад в формирование звукового поля в автомобиле.

Диаграмма направленности

 Самыми распространенными являются динамики с коническим диффузором, иначе называемые диафрагменными. Диаграмма направленности  динамиков этого типа зависит от частоты воспроизводимого сигнала - с ростом частоты сужается.

Второй распространенный тип динамиков: мембранные (купольные), - имеют широкую диаграмму направленности, практически независящую от частоты сигнала. 

К диафрагменным динамикам относятся почти все динамики низкочастотного диапазона (мидбасы) и множество среднечастотных динамиков (мидрэндж). К мембранным (купольным) - подавляющее количество высококачественных высокочастотных динамиков (твитеров) и двольно большое количество среднечастотных.

При установке динамиков того или иного типа в автомобиле надо учитывать неравномерность диаграмм направленности левого и правого динамиков в точке прослушивания. Неудачное размещение может привести к слышимому искажению тонального баланса в одном из каналов. Мембранные также не являются панацеей, т.к. наоборот не позволяют свободно управлять диаграммой направленности динамика, и избегать паразитных отражений звуковых волн от деталей интерьера.

Речь пойдет о схемах без центрального канала.

По количеству полос системы фронтальной акустики могут быть одно и многополосными. В основном используются двух и трех полосные схемы. Высококачественные одно-широкополосные системы не получили распространения, на мой взгляд, из-за отсутствия как раз методики настройки, а может быть даже отсутствия принципиальной возможности такой настройки, сцены и тонального баланса звучания в автомобиле. Казалось бы сказанное опровергают существующие многополосные схемы установки, в которых размещение компонентов смежных полос вполне можно было бы заменить одним компонентом. Возможно, такие схемы избыточны в дань моде и/или "крутизне" установки, возможно причины совсем иные и скрыты от поверхностного взгляда.

       Основные схемы установки двух-полосного "фронта".

Схема 1:

Мидбасы (MB) в дверях, твитеры (TW) на стойках лобового стекла или в зонах к ним прилегающим (углы панели приборов, площадки боковых зеркал и тп.) 

Преимущества схемы:

2. Весьма "полнокровный" звук, при использовании не откровенно плохих компонентов;

3. Возможность использовать два канала усиления и недорогой (читай несложный) пассивный кроссовер.

  Недостатки схемы:

1. Невозможно построить сцену в горизонтальной плоскости, не применяя процессор для введения задержки (и ослабления) сигнала ближнего к слушателю канала. И как следствия:

a.      Невозможность построения симметричной для водителя и пассажира сцены.

b.      Введение в тракт дополнительного устройства цифровой обработки сигнала.

2.  Большая разница в расстоянии до излучателей как левого и правого, так и мидбаса и твитера одной стороны,  обуславливает сильную неравномерность АЧХ и ФЧХ системы в точке прослушивания.

Схема 2.

Мидбас в кик-панелях, твитеры в стойках лобового стекла.

Преимущества схемы:

1. Реально построить сцену акустической настройкой;

2.,3. Тоже, что в схеме 1.

Недостатки схемы:

1. Сложность размещения и изготовления подиумов под динамики. Динамики способные играть в маленьких объемах дорого стоят.

2. Тот же, что и в схеме 1, но проявляется в меньшей степени.

Схема 3.

Тоже, что и схема 2, но твитеры установлены в кик-панелях.

Преимущества схемы:

1,2,3. Те же, что и в схеме 2;

4.      Реально минимизировать фазовые и амплитудные искажения, вызванные разницей расстояний между мидбасом и твитером.

Недостатки схемы:

1.      Тот же, что в схеме 2;

2.      Возможно сильное сужение сцены и/или ее недостаточная высота.

Схема 4.

MB в корпусах под передними сидениями или в полу под сидениями, работают отражением от лобового стекла, TW на стойках л.с.

Преимущества схемы:

1. Пожалуй самые лучшие возможности по формированию сцены    на низких и средних частотах;

2. и 3. те же, что и в схеме 1.

Недостатки схемы:

1. Слишком большая разность хода сигналов излучаемых MB и  TW может привести к привязке звука к TW и соответственно разрушению сцены. Для реализации потенциала такой схемы требуется тщательный выбор размещения и ориентации TW, а так же частоты раздела кроссоверов. Использование кроссоверов из комплекта может оказаться недостаточным и даже нежелательным.

2. Не всякий мидбас сыграет в ящике, который влезет под кресло, и не под каждое кресло влезет хоть какой-то ящик.

Конечно возможны различные модификации описанных вариантов,  я привел только основные.

  Установка трех-полосного "фронта".

Введение третьей полосы  в акустическую систему для исправления сцены вызвано желанием свести к минимуму недостатки той или иной схемы установки двух-полосного фронта. (Улучшения связанные с другими аспектами звуковоспроизведения я сейчас не рассматриваю.)

Из-за меньших габаритов среднечастотных динамиков появляется большая гибкость в выборе места их размещения: кик-панели, верхняя часть "торпедо", под креслом и другие места, в которых мидбасовые динамики разместить было нельзя. Приводить рисунки возможных схем размещения нет смысла, так как вариантов может быть очень много. Используя немного своей фантазии и приведенные выше схемы размещения двух-полосного фронта, вы можете представить, где могут располагаться среденечастотные динамики. Главным же критерием выбора места должна быть минимальная разница расстояний между левым и правым динамиком в точке прослушивания - это задача номер один. Когда разница не превышает 20-25см  (реально в большинстве автомобилей) становится возможным скомпенсировать ее, изменяя ориентацию динамиков и используя их диаграмму направленности во благо.

Вторая задача - это выбор частотного диапазона работы мидрэнджа. К сожалению маленькие динамики плохо воспроизводят низкие частоты. Для диафрагменных мидрэнджей заявляемыми производителями являются частоты 100-150 Гц, изредка  80 Гц.  Реально же редко какой из них будет эффективно воспроизводить сигналы ниже 200-250 Гц. На это и надо рассчитывать.

Для мембранных динамиков эти частоты еще выше: заявленные - 350-400 Гц, реальные - 600-800 Гц.

Ситуация с точностью наоборот повторяется в высокочастотном диапазоне. Диафрагменные "играют" до 4000-6000 Гц (с непременным обострением диаграммы направленности), мембранные до 6000-8000  Гц.

Этими границами и определен возможный диапазон работы среднечастотного звена  системы.

Третья задача - выбор положения и ориентации твитеров. Существует устойчивое мнение, которого придерживаюсь, в некоторой степени, и я, что твитеры формируют сцену. Да это так, только шаблонный перенос преимуществ установки твитеров в двух-полосных системах  в трех-полосные системы очень часто приносит больше вреда, чем  пользы. Обусловлено это очень широкой зоной перекрытия сигналов мидрэнджа и твитера, которая при низкой частоте раздела диапазонов СЧ-ВЧ приводит к дополнительным искажениям интерференционного и фазового характера.  А при нетщательной настройке центра сцены в СЧ и ВЧ полосах также к нарушениям локализации и фокусировки КИЗ.

Отпуск

Ну хватит общих слов, пора рассмотреть конкретный пример, а точнее как я пытался  построить сцену в автомобиле.

Исходные данные:

В моей машине (ВАЗ-09) в дверях на подиумах уже были установлены 6,5" KEF UNI-Q, переносить которые мне не хотелось. Пищалки из комплекта DLS PS-6 были установлены  на подиумах в самых углах торпедо, это почти тоже самое, что и расположение на стойках лобового стекла. Усилитель 4-х канальный, два канала на сабвуфер, два на фронт.

Решение:

Мидрэнджи решил установить в кик-панели. Кроссовер использовать пассивный. Добавлять еще два канала решил только в крайнем случае, так как это требует перекладки силовых и акустических проводов.

Расстояния до динамиков получились такие:

Предварительно я просчитал ориентировочную АЧХ и ФЧХ для соседних частотных полос.

Для пар мидбас-мидрэндж, при  включении мидрэнджей  в фазе получил такую картинку.

АЧХ

ФЧХ (только для мидрэнджей)

На графике АЧХ видно два досадных провала ~ на 550 Гц и 2000 Гц. Природа провала на 550 Гц ясна из графика ФЧХ - на 550 Гц сигналы левого и правого мидрэнджа приходят в точку прослушивания в противофазе. (Красным выделена зона противофазной работы правого и левого динамиков). Я решил включить мидрэнджи в противофазе, выбрав частоту раздела полос около 350 Гц, и уменьшив амплитуду левого мидбаса на 3 дб в районе частоты раздела. Расчетная АЧХ для такого включения вот:

 Решение снизить сигнал левого мидбаса родилось при настройке сцены, а выравнивание АЧХ явилось «побочным» эффектом.

Ну вот наконец подобрались к настройке сцены.

Шаг 1

Отключил все кроме мидрэнджей. Изменяя их ориентацию (в подиумах предусмотрен механизм поворота динамиков), выставил сцену на средних частотах. При этом для экспериментального подтверждения теории менял фазировку динамиков, в противофазе однозначно лучше и локализация и фокусировка.

Вот так вот повернуты динамики (штришками обозначены семь барабанов). Теплившаяся надежда на получение симметричной для водителя и пассажира сцены испарилась окончательно.

Шаг 2

Подключил мидбасы. Сцена повела себя точно так, как и ожидалось. Если в спектре сигнала имелись низкие частоты, сцена расплывалась влево, либо КИЗ хаотично скакал по лобовому стеклу. Вот тут то я включил аттенюатор на левый мидбас, снизив его чувствительность на 3 дБ. Сцена выправилась. Немного позже я достиг такого же результата, снизив частоту настройки левого фильтра до 220 Гц. В таком варианте отдача на НЧ практически не уменьшается, а снижается только в районе частоты 350-400 Гц. Общая отдача не падает т.к. эти частоты без труда отыгрывает мидрэндж.

 Шаг 3

Подключил твитеры.

Тут все и закончилось, а может, только началось - сцены как не бывало. Слипшиеся у левой стойки барабаны, дрожащая медь и женский вокал, «раздвоение» тарелок все было. Изменения ориентации твитеров в пределах 180 градусов в горизонтальной и 45 градусов в вертикальной не дали удовлетворительного результата. (Самым лучшим вариантом оказался вариант с направлением на стекло). И еще возникли веские основания подозревать DLS’ы в существенной горбатости АЧХ и большом уровне искажений.

На помощь пришли друзья и у меня появилось три пары различных твитеров и кроссоверов к ним : МТХ (штатный кроссовер 12 dB/o, пугает тонкой проволокой катушек), Rockford Fosgate (кроссовер 18dB/o), Macrom 57.13 (со штатным конденсатором). После краткого домашнего прослушивания выбрал Macrom. Удлинив провода в машине, начал двигать твитеры по салону, и длился этот процесс с утра до вечера.  Потом еще день. Результатом явились переделанные для установки твитеров подиумы в кикпанели.

Сцена равномерная!!! Но тональный баланс слева и справа разный – слева глуше. Вот вам и широкая диаграмма направленности 57.13. Облом-с. Некоторое время успокаивался тем, что на реальной музыке различия не заметны. Потом начал эксперименты с отражателями и рассеивателями. Конструкция последнего варианта приведена на рисунке (вид сбоку, сверху это круг).

Те части конуса и полукольца, которые закрашены серым, оклеены карпетом для уменьшения внутренних отражений.  Открытая часть направлена на гладкую поверхность подиума и на решетку мидрэнджа. Расположение конструкции на подиуме таково, что прямое излучение твитера не попадает в уши слушателю.

Я считаю, что у меня получилось. И сцена и тональный баланс сейчас меня устраивают, правда, есть некоторые мысли, но об этом потом.

Три недостатка у подобной схемы размещения динамиков: - сцена может показаться низкой. У меня она выше нижней кромки лобового стекла, но может кому-то нравится, что бы было повыше. Второй – на мой взгляд, сцена узковата, по стойкам не шире. Третий недостаток – угроза повреждения оформления твитера ногами.

Результат 

Расстояния до динамиков

Ниже приведены расчетная (красная) и измеренная (синяя) АЧХ, совпадение на лицо. На жуткий SPL-ный горб в районе 40-80 Гц внимание обращать не надо - это сабвуфер, а вот выше зелеными кружками отмечены "непредсказанные" моменты в поведении АЧХ. Провал на 200 Гц - не знаю откуда (есть мысль, что это продукт совместной работы сабвуфера и мидбасов). Горб на 400 Гц - салон, однозначно. Частоты выше 10K  мой прибор не мерит, там в инструкции так и написано - "до 8000 Гц". Видно, что АЧХ в салоне автомобиля в основном определяется интерференционными явлениями, если ничего не напортачить с фильтрами.

Над АЧХ надо работать, но хоть направление видно.

Кстати о фильтрах, вот схема.

Схема обладает минимальными неравномерностями АЧХ и ФЧХ в рабочем диапазоне частот. R1 - включен только в левый канал. R3 - согласует чувствительность динамиков. Частоты раздела MB-MR/MR-TW соответственно для левого и правого каналов 220/6500 и 350/6500 Гц.