В поисках эзотерики. Добываем «живой звук».

 

Часть 2

Дифракция и интерференция.

В первой части было описано, как наиболее полно реализовать динамический диапазон среднечастотного драйвера. Здесь я попробую описать, как донести его до нежных аудиофильских ушей, не расплескав.

Интерференция - Явление взаимодействия звуковых, световых или иных волн, исходящих из разных источников [yandex].

Видя в разных, и не связанных между собой, местах, на сайтах одну и ту же картину – рис.1, невольно озаботился – а не тянется ли этот рисунок из одного первоисточника, и насколько он соответствует реалиям. Особенно интересно было бы узнать «в цифрах». Ведь этот эффект считается одним из основополагающих недостатков многополосных систем. Посчитал за пару жарких майских дней в экселе. Файлик здесь, если желаете проверить или поэкспериментировать. Похожая (и тоже простая) программа есть еще здесь. Результаты и выводы, собственно, ниже.

 

Рис 1. Фазовые центры и диаграмма направленности.

 

Для начала уточню, что интерференция возникает только вокруг частоты раздела полос. Приводит она к тому, что в пространственной характеристике колонки (диаграмме направленности) возникают серии пиков и провалов. Минимальная частота, где еще есть негативный эффект от интерференции примерно соответствует длине волны, равной расстоянию между динамиками умножить на 4. В дальнейшем на рисунках это будет видно. Пусть расстояние между фазовыми центрами равно 15см. Тогда интерференция начинается с (15*4=60см, 340/0.6=570Гц.) 600Гц примерно. Верхняя граница эффекта определяется величиной затухания мидбасового динамика на высоких частотах. Интерференция будет слабо выраженой (менее 3дБ на диаграмме направленности (далее ДН)), если мидбас относительно уровня твитера будет играть более чем в два раза тише. Говорить о равномерном звуковом поле можно, когда разница уровней источников звука составит 6дБ и более. Таким образом интерференция есть явление узкополосное (примерно в октаву, или еще уже). Но здесь есть еще один нюанс. Согласно рекомендациям международного совета по электрической и телеграфной связи (ITU-T сейчас) динамический диапазон человеческого слуха составляет не менее 40дБ. Попутно замечу, что этот динамический диапазон в телефонии достигается применением восьми битового нелинейного квантования уровня, что соответствует линейному квантованию глубиной в 12 бит. Легко посчитать, что аналогичный, реальный динамический диапазон стандарта CD составляет менее 60дБ (не по измерениям шумов и искажений, а по разборчивости речи, как в телефонии). По этому все излучение колонок, попадающее в диапазон от 0 до -40дБ подлежит пристальному изучению, невзирая на отсутствие интерференции. Это относится, конечно, к частотам ниже 3400Гц.

То есть, вывод первый: затухание -40дБ для пищалки обеспечивается хорошо, если на 300-500Гц. А значит, твитер может влиять на мид-бас и всю середину, что и происходит в реальности и выявляется при прослушивании.

Это один из доводов в пользу фильтров высоких порядков. Но здесь я этого касаться не хочу, так как фильтрам, если доживу, посвящу отдельную песню.

Итак, классические воззрения гласят, что главный лепесток ДН будет направлен по нормали к плоскости, в которой находятся фазовые центры излучения динамиков. Так как типично фазовый центр ВЧ находится где то в плоскости передней панели, а центр мидбаса – на пару сантиметров глубже, то главный лепесток ДН будет отклонен от оси колонки вверх или вниз. Для компенсации эффекта предлагается или смещать динамики в плоскости, или вводить фазовые задержки в схемы кроссоверов. Детали, например, на какой частоте это происходит, какова величина отклонения и ширина главного лепестка ДН – не разглашаются. Попробуем выяснить это самостоятельно.

Начальные данные таковы. Исследуется интерференция двух ненаправленных источников излучения (это на первом этапе принципиально). Один находится в начале координатной оси (обычной декартовой X, Y, Z), второй смещен – координаты 0,025м; 0,145м; 0,035м. Это соответствует моему реальному случаю (колонки на Scan-Speak). Интерференция регистрируется в квадрате 1,2 на 1,2 метра, расположенного на расстоянии 1м от первого излучателя. Это соответствует отклонению в 30 градусов от нормали. Рис.2

 

Рис.2. Условия расчетов интерференции.

 

1.Частота раздела 2600Гц. Синфазные источники. Интерференционная карта -30 - +30 градусов отклонения. Ширина основного лепестка ДН 36градусов (-3дБ) Отклонение от нормали – 5градусов (!)

 

2.Частота раздела 2600Гц. Интерференционная карта -30 - +30 градусов отклонения. Дополнительный фазовый сдвиг 90 градусов. Ширина основного лепестка ДН 36градусов (-3дБ) Отклонение от нормали – 20градусов. Рядом с осью провал в 20дБ.

3.Частота 3500Гц. Синфазное излучение. Интерференционная карта -30 - +30 градусов отклонения. Ширина основного лепестка ДН 20градусов (-3дБ) Отклонение от нормали – 5градусов. Рядом с осью глубокие провалы.

3.Частота 3500Гц. Интерференционная карта -30 - +30 градусов отклонения. Инверсия фазы одного излучателя. Ширина основного лепестка ДН 20градусов (-3дБ) Отклонение от нормали – 15градусов. Пики и провалы поменялись местами.

5.Частота 1600Гц. Синфазное излучение. Интерференционная карта -30 - +30 градусов отклонения. Ширина основного лепестка ДН 45градусов (-3дБ) Отклонение от нормали – 5градусов. Картина дана с учетом того, что оба источника имеют равную амплитуду.

6.Частота 600Гц. Как и учит теория, интерференция практически отсутствует.

Некоторая асимметрия приведенных поверхностей вызвана смещением пищалки по оси Z на 3,5см.

 

А теперь можно подвести некоторые итоги.

1. Интерференция на частоте раздела и в непосредственно близости от нее приводит к большому бардаку с направленностью. В итоге, измерения АЧХ на этом участке не будут отражать реальной картины поведения колонки. Если только не использовать «качающийся микрофон» или что-то подобное.

2.Направлене основного лепестка ДН в значительной мере зависит от начальной разности собственных фаз излучателей, а также фазового набега в фильтрах. Направление ДН в незначительной степени зависит от смещений фазовых центров, вызванных реальным расположением динамиков на лицевой панели колонки.

3.Направление главного лепестка ДН непостоянно и зависит от частоты, поскольку от частоты зависит начальная фаза. Зависит от частоты, фазовых характеристик динамиков, дифракции корпуса, схемы фильтров.

4.Изменение полярности ВЧ динамика позволяет поменять пики и провалы местами. Таким образом, при желании, максимум оказывается на основной оси с высокой вероятностью.

5.Ширина главного лепестка ДН и количество боковых лепестков сильно зависит от частоты.

На этом основании можно предположить, что эффект интерференции волн на частоте раздела приводит к ухудшению субъективных характеристик колонок, приводит к появлению окрасок. Так как аналогичных эффектов в природе я не припоминаю. Также эффект приводит к потере прямой связи измеренной АЧХ и реальным качеством звучания. Посему, с явлением необходимо бороться.

            Методы борьбы с интерференцией весьма ограничены. Основной метод – уменьшение расстояния между динамиками. Побочных эффектов практически нет. Другой возможный способ – снижение частоты раздела, и сужения полосы частот, в которой имеется взаимодействие динамиков. Способ неоднозначный, и имеет свои сложности. Основная состоит в том, что с понижением частоты повышается чувствительность слуха к различным «неоднородностям» в звуке. Третий способ – использование нескольких излучателей, с оптимизированным положением на передней панели, с целью формирования широкого главного лепестка ДН и подавления боковых. Способ этот я не изучал. Все это не отменяет возможности тщательного расчета на этапе проектирования фильтра АС.

            Теперь перейдем от теоретического анализа к практическому. Вспомним, что на интересующих нас частотах мидбасс имеет свою характеристику направленности. Поэтому, если реализовать «идеальный» вариант ДН с максимумом «параллельно полу», то реальный ее вид будет напоминать иглу. По жизни было бы неплохо, если главный расчетный максимум ДН несколько отклонялся бы от оси (градусов так на 10). Тогда, складываясь с ДН мидбаса, это дало бы расширение основного лепестка ДН, улучшило общую равномерность создаваемого звукового поля. Интерференцию можно зафиксировать на измерениях. Ее видно как сплошную гребенку от 1.5кГц до 3кГц. Это «качание» основного лепестка ДН.

            Если с этой точки зрения посмотреть на звуковое поле, создаваемое парой колонок в комнате (отражения от стен не учитываем), то окажется, что это тоже череда гребней с глубокими провалами. Если между колонками 2м, то интерференция возникает уже со 100Гц. Конечно, она обеспечивает стереоэффект, но «ровное» звуковое поле, таким образом, недостижимо. Так как интерференция наиболее интенсивно происходит между общими для каналов звуками (с максимальным коэффициентом корреляции, т.е. те, которые по центру звуковой сцены). Эффект можно обойти, если использовать центральный канал, как это сделали одни неглупые итальянцы (Deep Stereo). Плюс Программа. Или отходить от идеи точечных излучателей звука. Других идей мне более не приходит. Но это – далекое светлое (я надеюсь) будущее.

            Вот и все, что я хотел сказать об этой специфичной и узкополосной проблеме. Вторым пунктом в меню стоит дифракция. Ее буду даже не рассматривать, а скорее комментировать. Математику этого эффекта я не нашел, хотя и не очень-то искал. Вместо этого есть наглядная программа EDGE. На нее и ориентируюсь.

 

Дифракция - Отклонение светового луча от прямолинейного распространения, с рассеиванием, при прохождении сквозь узкую щель или около тонкого предмета [yandex]

            «Тонкий предмет» (она же «Узкая щель») в нашем случае корпус АС. Дифракция как акустическое явление описано в литературе достаточно подробно. Базовой «по теме», мне кажется, является эта статья. Вот только ряд моментов остается неясными. По видимому, авторы большие поклонники «шариков», если предлагают простую RC-цепь для того забора, который сами же рисовали. Или рассматривают это только как восстановление тонального баланса «низ – середина», без борьбы с явлением как таковым. В результате, дифракция свелась к вопросу: «Компенсировать баффл-степ или нет?», на который должен ответить человек, задумавший строгать самодельную буратину.

Теоретизировать и махать цифрами не буду, выскажу далее лишь свое частное мнение. Что мы имеем в результате эффекта? Ломаную АЧХ с неравномерностью до 6дБ и монотонный спад чувствительности на 6дБ начиная с примерно 400-600Гц. То, что дифракция влияет на АЧХ практически всего диапазона – конечно проблема. Выходов из этого положения масса. Вот типичные:

1.Сделать шарик и забить на дифракцию.

2.Можно просто забить на эти проблемы и доводить «на слух» до победного конца, или же просто пренебречь явлением. Деградация итогового качества, при этом подходе не так уж и велика. Но о белоснежных звуковых вершинах придется, увы, забыть.

3.Оптимизировать положения излучателей, минимизируя эффект. При этом 6дБ  неравномерности реально сократить примерно до 3дБ.

4.Остальное добить, при расчете  кроссоверов (режектор на мидбас нацепить)

5.Довесить большую катушку на мидбасс, и компенсировать бафл-степ. Или закривить АЧХ в электронике (RC-цепь)

Делать шарики меня, отчего то, не тянет. Даже и не знаю почему. Может потому, что там полно хлопот с внутренним дизайном. Учитывать дифракцию в кроссоверах тоже. Получается, что искажения возникают в одном месте, а компенсировать их приходится в другом. Что не аудифильно. Большая катушка на мидбасе, к тому же, повышает его инерционность. Возросшая индуктивность отрицательно влияет на выходной каскад усилителя. Снижается чувствительность, увеличивается смещение диффузора, как следствие растут (пусть и не на много) искажения. Логичней влиять не на следствия, а на причины. В случае дифракции это, конечно, затруднительно. Но, кроме оптимизации геометрии, можно влиять на физические свойства нашего «тонкого предмета». Его можно сделать мягким, или просто с высоким коэффициентом звукопоглощения. Чтобы снизить склонность передней панели к образованию вторичных волн. Звукопоглотитель работает от 700 – 1000Гц, но ниже нам и не надо. Остается бафл-степ. Я пришел к выводу, что его компенсация не дает однозначно положительного результата. Этот вывод сделал после месяца отслушки пары колонок (дело было в 2004 году) с компенсацией и без нее. Компенсация была реализована в виде дополнительной RC цепочки в межблочных кабелях. Можно учесть эффект в трехполосной акустике, и устроить нижнюю частоту раздела на границе бафл-степа. На сколько при этом снижать чувствительность СЧ-ВЧ части не очень понятно. Говорят о примерно 3дБ, не давая готового рецепта. Все зависит от условий в комнате прослушивания. Примерно столько я намерял, если колонка находилась в комнате в «чистой точке для акустических измерений». Еще надо учесть, что ниже 300Гц стерео эффект ослаблен, звук от колонок тупо складывается, вот и получается прибавка уровня как раз в 3дБ. Двухполосная же лучше играет без этой приправы. Конечно, середина «светлее», тональных баланс чуть смещен (именно чуть). Но субъективно вреда от этого нет, это фича, а не баг.

 

\Dxx573k\ июнь 2007г. Рязань.