Акустические системы: Виды, классификации, основные особенности и сферы применения

Ровно 90 лет такое незамысловатое изобретение как динамик, а точнее та его часть, которая непосредственно рождает звуковые волны, будоражит мозг многих электроакустиков. А началось всё в далёком 1924 году. Когда инженеры американской компании General Electric Эдвард Келлог и Честер Райсон запатентовали конический громкоговоритель с подвижной звуковой катушкой или, как мы привыкли его называть - динамик или динамическая головка. Эта конструкция пришла на смену граммофонам со слюдяными диафрагмами, и по тем временам выдавала удивительно чистый и натуральный звук. Но, в настоящее время, конструкции, некогда совершившие технический прорыв, занимают достойное место в Политехнических музеях.

А современные электроакустики продолжают ломать голову над усовершенствованием конструкции. Точнее конструкция, по сути, осталась такой же - конусообразный диффузор со звуковой катушкой и кольцевым магнитом, приклеенный на жёсткий каркас. Но как выяснилось со временем даже малейшие изменения в конструкции динамической головки, приводят к неожиданным процессам, рождаемым новое звучание. И на наши рынки выходит так называемое ноу-хау.

Данная статья поможет разобраться в термине "акустическая система" и понять основные параметры, на которые стоит обратить внимание.

Ни для кого не секрет, что на подобные разработки широко-известные фирмы-производители динамиков и акустических систем тратят значительную часть прибыли. Так давайте же разберёмся, из чего же в наше время изготавливается самая важная часть динамика - диффузор. Почему самая важная? Да потому, что именно эта часть и отвечает за качество передачи звуковой волны, соответственно и качество звука. Предлагаю рассмотреть традиционные СЧ и НЧ - головки конической конструкции.

Итак, к чему же всё-таки стремятся современные электроакустики? Предел их мечтаний - это максимально жёсткая конструкция, с невесомой мембраной и кристально чисто передающий абсолютно весь диапазон работающих частот. Но, к сожалению, изобразить подобное в материальном мире практически невозможно. Вот и приходится усовершенствовать материалы и методом проб и ошибок искать компромиссное решение.

Стоит отметить что, на протяжении многих лет неизменной составляющей диффузора была бумага. Ведь именно целлюлоза обладает такими качествами как лёгкость, неплохое демпфирование, что позволяет давать максимально возможный чистый звук без призвуков, кроме того она уменьшает фазовые искажения и имеет хорошую микродинамику, что в совокупности даёт комфортное для наших ушей звучание. Но есть у этого материала два весомых недостатка - недостаточная жёсткость и быстрая изнашиваемость. И хотя производители работали и продолжают работать в направлении усовершенствования свойств данного материала, на горизонте появляются более современные аналоги.

В середине 70-х годов в студийных мониторах ВВС появляются первые синтетические диффузоры. При их производстве используется полипропилен. Хотелось бы заметить, что компания Harbeth до сих пор выпускает подобные динамики, причём из полимеров собственного производства. И хотя полимерные материалы намного долговечнее, чем бумага недостатки у них всё же есть, одним из которых является недостаточная жёсткость.

Ещё одним инновационным материалом в диффузоростроении является кевлар. Кевларовое волокно отличается невероятной прочностью, достаточной жёсткостью и хорошими параметрами воспроизведения звука. Но и этот, казалось бы, идеальный материал имеет свои недостатки. Кевларовый диффузор значительное тяжелее бумажного и к тому же кевлар производит резкие частотные выбросы, что при неправильном выборе частоты значительно искажает звук. Британская фирма B&W не только использует в своём производстве кевлар, а и ведёт разработки по улучшению свойств кевларового волокна и производству гибридных материалов с использованием кевлара.

В наше время мировые производители динамиков и акустических систем разработали множество гибридных материалов синтетического и природного происхождения для производства диффузоров. Например: Mission использует кераформ; ELAC - фольгу на бумажной; Symphonic Line - овечью шерсть с алюминиевой фольгой. А вот Yamaha развивает сразу несколько направлений: производство диффузоров из полимеров с добавлением белой индийской слюды и из волокон древесины канадской ели. И каждый производитель уверяет, что именно его материал даёт идеальный звук. Хотя утверждать это наверняка, не может никто.

Основная цель компаний это — сделать наиболее легкий и прочный диффузор, с минимальными внутренними резонансами с хорошими демпфирующими качествами. То, к чему мы и вернулись...И каждый производитель пытается это сделать своими способами, хотя друг от друга не далеко отходят. Или производить прочнее бумагу, или «глушить» металл, или воротить с пластиком...

Что же остаётся делать нам, обычным потребителям? А ничего… просто садимся, слушаем и выбираем то, что наиболее нам понравилось. Ведь не только важно произвести технологично-инновационный материал, важно еще собрать это всё в единую гармоничную конструкцию. Ведь в наше время для потребителя важен не только звук, а и внешний вид приобретаемого товара. Вот и стараются инженеры и дизайнеры найти компромисс, чтобы победить в гонке за совершенный звук! А мы с вами остаёмся строгими судьями данного соревнования.

В зависимости от того, по какому признаку проводить классификацию, можно выделить несколько типов акустических систем. Каждый тип имеет свои плюсы и минусы, понимание которых поможет сделать правильный выбор в пользу той или иной конфигурации в каждом конкретном случае.

По широте воспроизведения частот акустические колонки подразделяются на несколько видов. Разделение частотного диапазона на несколько меньших связано с техническими сложностями воспроизведения всего диапазона слышимых человеком частот с помощью одного устройства и называются они "однополсные". Такие колонки существует и качество звука, которое они обеспечивают - очень невысокое. Наиболее распространенными являются двух- и трехполосные акустические колонки. В двухполосных акустических колонках низкие и средние частоты воспроизводятся вуфером – крупным диффузором, а высокие частоты – твитером. В трехполосных акустических колонках на каждый частотный диапазон (НЧ, СЧ, ВЧ) выделяется свой динамик, что существенно повышает качество воспроизведения во всем диапазоне слышимых ухом частот (20 – 20000 Гц). Существуют четырехполосные акустические колонки, а также колонки с еще большим числом частотных полос. Разделение входного аудиосигнала на отдельные частотные диапазоны осуществляет кроссовер – цифровой или аналоговый фильтр, обычно устанавливаемый непосредственно в громкоговорителе.

Пассивная акустическая колонка громкоговорителя состоит из излучателя, например, диффузора и кроссовера. В активной к этому набору добавляется также собственный усилитель мощности. Плюсы и минусы есть у каждого варианта.

• К достоинствам пассивных систем можно отнести простоту подключения и обслуживания. Например, можно легко поменять центральный усилитель на другой, не трогая остальных компонентов акустической колонки. Также пассивная акустика обычно дешевле и легче.
• Минусы пассивной акустики являются обратной стороной ее плюсов: в отсутствие у колонки собственного усилителя, возрастают требования к основному усилителю системы. А пассивный характер кроссовера означает более высокий нагрев его компонентов, катушек индуктивности и конденсаторов, что, в свою очередь, может привести к искажению звука в процессе длительного воспроизведения. Считается также, что пассивный кроссовер «крадет» мощность центрального усилителя, что обусловлено потерями в цепях фильтра. Пассивные акустические системы редко бывают больше чем двухполосными, что объясняется дороговизной и громоздкостью пассивного фильтра для НЧ/СЧ излучателей. В силу простоты пассивной акустики именно она, вкупе с мощными усилителями чаще всего используется на больших концертных площадках и в клубах.
• К достоинствам акустических активных колонок можно отнести следующие. Во-первых, в активном громкоговорителе существенно проще согласовать собственно динамик с усилителем мощности. И если в пассивной акустической колонке это согласование ложится на плечи конечного пользователя, то здесь обо всем заранее позаботился производитель. Во-вторых, нередко в активной акустике устанавливают свой усилитель на каждый динамик, т.е. свой для низких частот, свой для средних и так далее (bi-amp, tri-amp схемы). В результате существенно снижаются интермодуляционные искажения звука – побочный эффект работы любого усилителя. Звук становится чище и уменьшается фактор демпфирования электрической цепи. В-третьих, активная акустика гораздо лучше приспособлена к цифровому звуку, ведь наличие активного кроссовера позволяет регулировать параметры звучания каждого из динамиков в довольно широких пределах. Так можно, например, имитировать определенное звучание или учесть акустические особенности помещения. Наконец, необходимо отметить и третью, промежуточную разновидность громкоговорителей. В них активным, т.е. получающим внешнее питание, является только динамик, тогда как кроссовер остается пассивным. Такие колонки по качеству звука и характеристикам являются пассивными, хотя рекламные материалы могут утверждать обратное.

По способу согласования громкоговорителей с усилителем мощности, акустические колонки подразделяются на трансформаторные (трансляционные, 100 вольтовые) и низкоомные. Акустические колонки используют разный подход к передаче сигнала и в общем случае несовместимы между собой.

Низкоомные колонки Громкоговоритель подключается напрямую к выходному каскаду усилителя мощности. Это означает, что суммарное сопротивление подключенных динамиков не должно превышать предельное сопротивление выходной цепи усилителя. Поскольку выходное сопротивление низкоомного усилителя обычно составляет 4-8 Ом, то и суммарное сопротивление всей цепи громкоговорителей должно быть не меньше минимального значения. Вот, например, как можно подключить восемь динамиков с сопротивлением 8 Ом каждый к 4-омному усилителю:

Преимущество низкоомных акустических систем заключается в более точной передаче частотного спектра. Поэтому, если важен хороший звук даже при большой громкости, стоит предпочесть именно такую схему. Однако и недостаток тоже существенный: из-за потерь мощности в аудиокабеле общая длина звукового тракта низкоомной акустической колонки не может превышать 50 метров. Дальнейшее увеличение длины требует большего сечения провода и, соответственно, непропорционального увеличения стоимости акустической системы. Именно поэтому основная область применения низкоомных акустических колонок – кафе и рестораны.

Трансформаторные акустические колонки за согласование громкоговорителей с усилителем отвечает согласующий трансформатор в усилителе, преобразующий выходное напряжение в 100 вольт. В громкоговорителях стоит понижающий трансформатор. Громкоговорители в 100-ых линиях подключаются параллельно. Суммарная мощность громкоговорителей не должна превышать суммарной мощности усилителя.

Достоинства таких типов акустических колонок очевидны: высоковольтный сигнал гораздо меньше подвержен потерям в кабеле, что увеличивает максимальную длину звукового тракта в сотни раз. Поэтому в крупных торговых центрах системы оповещения и информирования основаны на трансформаторной акустике. И по этой же причине не требуется большого сечения проводов. Простота установки и возможность легкого расширения системы также относятся к числу ключевых достоинств трансформаторной акустики. Наконец, наличие трансформатора выполняет роль гальванической развязки цепи, что позволяет защитить громкоговорители от бросков тока, а выходные цепи усилителя – от паразитных наводок.

Звуковое оборудование может применяться в самых разных ситуациях: от создания фонового акустического оформления в кафе до полномасштабного концерта на стадионе. Нетрудно догадаться, что требования к акустическим колонкам будут значительно отличаться в зависимости от назначения. Ниже мы рассмотрим несколько типовых случаев применения звукового оборудования.

Если просто хочется покушать, то можно зайти в столовую. Но в кафе и рестораны ходят по иным причинам. И в этом случае музыкальное оформление помещения значит ничуть не меньше, чем изысканность блюд и расторопность официантов.

Для качественного проектирования акустической системы ресторана необходимо учесть ряд факторов:

• Необходимо предусмотреть множество отдельных зон (столиков), в каждой из которых должно быть слышно музыку, но при этом звуковое оформление не должно мешать общению людей.
• Такой сценарий реализуется с помощью индивидуальных потолочных или настенных громкоговорителей, установленных около каждого посадочным местом ресторана для равномерного распределения звукового давления по периметру всего помещения.
• Танцевальные развлекательные мероприятия, шоу-программы или живая музыка требуют более серьезного подхода. Звуковое оборудование заведения должно включать достаточно мощные акустические колонки, возможность подключения микрофонов и, возможно, диджейского пульта.

Особенностями современных торговых центров являются большая протяженность и зонирование. С точки зрения звукового оформления это означает, что акустическая система будет иметь довольно протяженный тракт и должна иметь возможность воспроизводить разное акустическое оформление в разных частях торгового комплекса. Каких-то особых требований к качеству звука в торговых помещениях нет, главный фактор - это достаточное звуковое давление и разборчивость речи при экстренных ситуациях. А вот что необходимо учесть – это возможность использования звукового оборудования торгового центра для оповещения посетителей и персонала в случае пожара или иной аварийной ситуации. Стоить отметить, что для помещений общественного пользования существуют специально разработанные колонки для оповещения, которые максимально просто интегрируются и уже содержат весь необходимый функционал для внутреннего и внешнего звукового оповещения.

Качественный звук большой громкости – так кратко можно охарактеризовать требования к клубным акустическим системам. Действительно, на танцполе важны как низкие частоты, тот самый характерный «бум-бум» в сочетании со средними и высокими частотами. При этом очень важно обеспечить высокий уровень звукового давления во всей танцевальной зоне. С учетом этих требований оптимальный выбор для клуба – это мощные линейные массивы широкополосных колонок в составе с мощными сабвуферными системами. Современный микшер и DJ-пульт также являются неотъемлемыми составляющими звукового оборудования клуба.

Основа звуковой системы любого кинотеатра – многоканальная акустическая система, обеспечивающая не просто равномерное звучание фонограммы фильма, а максимально реалистичное. Причем для каждого зрителя в зале! Задача непростая, и здесь важен каждый нюанс, вплоть до материала обивки кресел.

Особенность акустических систем, предназначенных для домашних кинотеатров, заключается в первую очередь в высоких требованиях к качеству звука. Малейшие нюансы изменения звуковой дорожки должны быть максимально реалистично переданы громкоговорителями акустической системы. Ключевое значение имеют все составляющие: компоновка элементов, выверенная акустика, правильная внутренняя отделка помещения и внешняя отделка акустических систем. Акустические системы класса Hi-Fi существуют специально для наиболее детализованного звучания. Их созданию предшествуют серьезные исследования, а материалы диффузоров и корпуса таких громкоговорителей часто бывают довольно экзотичными:

• шелковые
• алюминиевые
• алмазные твитеры
• кевларовое волокно
• особые породы древесины

И все это, по утверждениям создателей, позволяет добиться более широкого динамического диапазона, точной передачи полутонов, сочных басов и максимально приближенного к реальному звучания в целом. Смысл этих дорогостоящих технических решений в том, чтобы сделать звуковоспроизводящий элемент максимально легким, близким по плотности к воздуху, но в то же время плотным и не допускающим появления паразитных гармоник, отраженных звуковых волн и интермодуляционных искажений.

Подбор, установка и настройка звукового оборудования для концертной площадки является, пожалуй, одной из самых сложных задач. Именно поэтому берутся за такие решения только настоящие профессионалы. Выбор акустической системы зависит от множества факторов:

• характер концертной площадки
• закрытое помещение - стадион
• площадка на открытом воздухе
• предполагаемая аудитория
• количество исполнителей
• характер музыкальных произведений - вокал

Звукоусиление – ведь происходящее на сцене должно быть хорошо слышно всем находящимся в зрительном зале – будет их пятьсот человек или пятьдесят тысяч. В то же время требования к качеству звука в концертной акустике одни из самых высоких, именно они определяют использование специализированных широкополосных акустических систем и высококлассных вспомогательных компонентов – усилителей, процессоров и микшеров.

В акустической подготовке конференц-зала требований значительно меньше, они сводятся к трем основным требованиям:

• обеспечить равномерное распределение звука по помещению
• обеспечить разборчивое воспроизведение речи всех докладчиков
• обеспечить отсутствие отражённых звуковых волн в виде эха