Сладкие мифы и горькая правда об акустических свойствах салона на низких частотах

<< в начало

Поэтому здесь возникает тот эффект, которым природа попыталась скомпенсировать хотя бы часть наших невзгод. В пределах компрессионной зоны звуковое давление, при одинаковой мощности подводимого сигнала, растет обратно пропорционально частоте, с наклоном характеристики 12 дБ/окт. Так гласит теория. Та же теория утверждает, что точкой перегиба АЧХ, ниже которой начинается ее подъем, является такая частота, половина длины волны которой ровно укладывается вдоль салона.

Многие, очень даже авторитетные, источники дают рекомендацию использовать такую модель и даже приводят формулу для вычисления частоты, ниже которой начинается подъем АЧХ. В метрической системе (большинство авторитетов в этой области оперирует имперскими футами) это получится так: f = 170/L. f здесь — частота, в герцах, понятно, L — длина салона в метрах. Поскольку кривые АЧХ не хворост, их об колено не ломают, то простейшей моделью передаточной функции будет кривая, похожая на ту, что на Графике 1 где-то поблизости. Хрестоматийная АЧХ фильтра второго порядка с добротностью, равной 0,707.

Сама по себе эта теория, равно как и описываемый ею эффект, — настоящее благословение, чего у нас так мало. Вот, к примеру, семейство АЧХ некоего абстрактного сабвуфера в виде закрытого ящика с различной нижней граничной частотой. В свободном поле (три нижние кривые на Графике 2), прямо скажем, не впечатляет. Крайняя левая (красная) — еще куда ни шло, спад начинается на 35 Гц. А крайняя правая — вообще закат, казалось бы, какой тут, на фиг, сабвуфер. Спад АЧХ начинается аж на 70 Гц. Теперь пересчитаем эти же частотки, но уже с учетом эффекта компрессии, приняв за граничную частоту компрессионной зоны значение около 65 Гц, для примера. Это, по теории, соответствует салону длиной около 2,5 м. Цифра — вполне реальная.

Смотрите, что выходит: правая, совсем, казалось бы, мертвая АЧХ превращается в гордую, ювелирно горизонтальную характеристику. А крайняя левая дает большой, что там — огромный подъем отдачи ниже 60 Гц. Почему так выходит — понятно. АЧХ закрытого ящика имеет спад с крутизной 12 дБ/окт. ниже граничного значения. А АЧХ салона — подъем такой же крутизны. Если два значения частоты совпали (как для зеленой кривой) — получается, по теории, полная взаимная компенсация и как результат — строгая горизонтальная прямая. В этом примере полная добротность динамика в оформлении Qtc была принята оптимальной, равной 0,707. Такой же, в пределах простой модели, мы считали и добротность передаточной функции салона. На деле, даже если оперировать простейшей моделью, добротность сабвуфера может отличаться от баттервортовской, и вблизи граничной частоты суммарная АЧХ «сабвуфер + салон» приобретет некоторую волнообразность. Такие АЧХ вы должны были видеть в наших тестах сабвуферов, где как раз использовалась вот такая, чисто теоретическая модель.

Тут надо сказать, что идеальная горизонтальная АЧХ не наилучшее решение. На слух такой звук даже в стоячей машине воспринимается скучновато, а на ходу — совсем тонет в инфранизких шумах качения. На практике басовую АЧХ всегда делают слегка приподнятой книзу. Тем более что, как мы вскоре увидим, там ей дадут укорот другие факторы акустической среды.

С сабвуферами-фазоинверторами получается повеселее. Там спад АЧХ ниже частоты настройки должен происходить с крутизной 24 дБ/окт. Поэтому, если частота настройки порта и граничная частота компрессионной зоны и совпадут, то суммарная АЧХ все равно будет иметь спад с частотой 12 дБ/окт. Правда, фазоинверторы всегда настраивают на более низкие частоты, ради этого их, собственно, и делают. Тут получается, что, пока АЧХ сабвуфера еще горизонтальна, передаточная функция поднимает характеристику. А потом, когда начинается спад АЧХ сабвуфера, идет завал суммарной характеристики. Результат — горб на суммарной характеристике. Горб будет всегда. Но каким он будет, зависит уже от большего числа параметров. Пример — семейство АЧХ фазоинвертора «в чистом поле» с разной частотой настройки тоннеля и то, как это трансформируется в салоне (График 3). От острого горба на 50 Гц до плавного подъема к отметке 20 Гц. «Say when», как говорят американцы, когда наливают.

Такой уровень выяснения отношений между частотными характеристиками сабвуфера и салона обычно закладывается в известные компьютерные программы расчета басовой акустики. Дается несколько значений характерной частоты передаточной функции: скажем, 50 Гц — для большой машины, 70 — для средней, 80 — для компактной. Или, кто пощедрее, рекомендуют посчитать самим по простейшей формуле: 170 поделить на длину салона в метрах и вот, — волшебная частота перед вами.

Здесь обычно возникают стандартные (хотя по-прежнему правильные) вопросы. Какая у меня машина — средняя или компактная? Это ведь где как считается. А если померить да поделить, то откуда докуда мерить? В хэтчбеке, от педалей до порога пятой двери или от спидометра до заднего стекла? В седане считать багажник отделенным от салона или — туда же, до кучи? И потом, если все так гладко, то почему что-то не много видно частотных характеристик, как на сладеньких графиках из предыдущих примеров? Да потому, что это все — теория, а она, как известно, не дает ответа, она дает направление на ответ.

Для сверки с практикой были последовательно, с использованием одного и того же сабвуфера, с досконально измеренной АЧХ в свободном пространстве, сняты реальные передаточные функции салонов нескольких типов автомобилей. Все основные типы кузовов ВАЗ плюс три заграничных хэтчбека разного размера.

Поскольку акустика салона влияет на звуковое давление внутри не только на самых низких частотах, но и на средних, измеренные АЧХ прошли на разной высоте над осью частот. Так как мы обсуждаем не абсолютное усиление звукового поля в салоне, а форму частотной характеристики этого поля, кривые свели к общему уровню, совместив их на отметке 80 Гц. То, что получилось — на Графике 4, перед вами. Не надо иметь ястребиный глаз, чтобы увидеть, что практические детали передаточной функции салона напоминают теоретическую кривую только в самых общих чертах. А подробности, подробности-то каковы! Откуда, спрашивается, такая затейливость практики в сравнении с аскетичной простотой теории? А вот откуда. Физическая модель, на которой базируется простейшая теория компрессионной зоны, представляет автомобиль в виде абсолютно жесткой трубы, словно вырубленной в скале, в которой отражают звук только торцевые стенки, а боковые — ни-ни.

Реальный автомобиль, во-первых, преисполнен отражающих поверхностей, а во-вторых, существенно нежесткий. Первый фактор в ответе за причудливые волны выше 100 Гц, где начинают гулять стоячие волны. Второй, нежесткость кузова, вызывает искажение АЧХ передаточной функции на нижних частотах, далеко внутри компрессионной зоны. Между 50 и 80 Гц все кривые ведут себя на удивление дружно.

«Нежесткость кузова» — выражение условное, поскольку являет собой два феномена.

Один — это мембранные колебания панелей кузова под действием пульсаций давления внутри. Вспомните, ведь в пределах компрессионной зоны давление пульсирует во всем салоне одновременно, поэтому тонкие стальные панели и стекла, закрепленные в упругих уплотнителях, дышат в такт колебаниям давления. Как это происходит, хорошо известно всем, кто хоть раз наблюдал соревнования по SPL: там колебания стекол и панелей кузова ощущаются рукой, а то и видны на глаз. При этом надо относиться с пониманием к тому, что каждая колеблющаяся деталь норовит еще играть на своей резонансной частоте, откуда и появляются на АЧХ характерные горбы и провалы.

Второй — влияние утечек, которое даже в расчетах сабвуферов предлагается учитывать коэффициентом Qb. Кузов автомобиля уж тем более эти потери имеет, и в достатке. Есть неизбежные щели и неплотности — раз. Есть предусмотренная умышленно система вентиляции кузова — это два. Все это дело начинает сказываться именно на самых низких частотах, в зоне компрессии. Причем чем ниже частота, то есть чем меньше ожидаемая скорость движения воздуха через прорехи — тем сильнее их влияние.

Два эти вместе взятые явления и несут ответственность за то, что на практике неуемный рост отдачи на самых низких частотах не реализуется никогда. Не редко, а именно никогда. Речь, правда, часто идет о частотах 20 — 25 Гц, это где кузов оказался достаточно жестким и герметичным. Но бывает, что уже на 30 — 35 Гц АЧХ далеко отходит от генеральной линии, предписанной теорией.

Как быть теперь, спрашивается. В смысле — куда крестьянину податься? По графикам для реальных машин получается, что с теоретической кривой АЧХ все равно попадаешь пальцем в небо. Но это пессимистическая точка зрения. Оптимистическая же такова: «Да, пальцем. Да, в небо. Но все-таки в небо, а не в землю, а это уже прогресс...»

Зарядившись оптимизмом, постараемся закрепить успех. Для начала мы попытались обобщить индивидуальные кривые, усреднив величины акустического усиления на каждой частоте. Получилась хоть и довольно непростая, но уже, во всяком случае, доступная для понимания кривая (черная на Графике 5). Там же нарисовали теоретическую кривую, как бы должно было быть по компрессионной модели. На третью кривую, синюю, пока не смотрите, об ней разговор особый. А вот эти две, «средняя по больнице» и теоретическая, оказались завидно близки в диапазоне от 40 до 80 Гц. Ниже 40 усредненная кривая заметно проседает по отношению к теории, а выше 80 Гц начинается такое, что ни в какие теории не вписывается.

В принципе, это уже готовый практический результат. Но, не доверяя даже себе, как предписывал покойный Мюллер, решили сравнить полученные результаты и уже оформившиеся рекомендации с теми, что дают классики жанра. В роли классика здесь выступил Том Нюзен — главный эксперт американского журнала «Car Stereo Review». Еще в 1996 году он опубликовал работу, где изучал переходную функцию салона, в основном с целью ответить на вопрос, влияет ли на уровень басов расположение и ориентация сабвуфера в багажнике. Ведь действительно, многие отмечают, что от того, где в багажнике установлен сабвуфер и куда направлен динамик, характер басов зависит очень сильно. Выводы Тома, причем не голословные, а подтвержденные огромным количеством измеренных характеристик, оказались довольно нетривиальны. Главные из них — два. Первый: на воспроизведение частот ниже 80 Гц положение сабвуфера практически не влияет. Второй: на АЧХ в полосе частот 80 — 100 Гц влияет, причем самым решительным и непредсказуемым образом. В качестве побочного результата своих изысканий Том сформулировал свои рекомендации по выбору расчетной модели передаточной функции, которая, по его мнению, является универсальной. Во всяком случае, он утверждал в своей статье, что с помощью предложенной им зависимости покрывается диапазон кузовов от Chevrolet Corvette (его личного транспорта в то время) до Ford Aerostar: примерно от «Таврии», стало быть, до почти что «Газели».

Том привел в своей статье таблицу, по которой можно построить универсальную кривую. Мы построили, это как раз — третья, синяя на рисунке. Размытым цветом обозначена «сумеречная зона» непредсказуемых результатов. В целом, как мы видим, получилось совпадение с нашими результатами почти что подозрительное. Даже выкрутасы на усредненной кривой (черной) пришлись именно туда, где, по словам американского гуру, им и положено быть. В терминологии классической теории компрессионной зоны универсальной кривой Тома Нюзена соответствует частота перехода 63 Гц при добротности Q = 0,9. У «нашей» теоретической кривой частота была такая же, а добротность — ниже, Q = 0,7.

Налицо, вроде бы, парадокс, кто внимательно читал. Начали с того, что передаточная функция напрямую зависит от размера салона. Типа за здравие. А закончили — универсальной кривой, в которой размер салона вообще не фигурирует. Как так? Все в порядке, товарищи, если посмотреть пошире да попристальнее. Как мы говорили, форма АЧХ (а не ее высота над осью частот) в диапазоне 40 — 80 Гц оказывается предсказуемой и особенно не зависит от ординаты точки перегиба. Размер салона должен был бы, по идее, определять форму кривой вблизи точки перегиба, определяя, где именно этот перегиб произойдет. А там, как мы убедились и сами, и благодаря подвигам Тома Нюзена, изящная теоретическая кривая все равно превращается в бурные волны, поэтому собственно момент перехода теряется в морской пене.

Так что давайте теперь вместе глядя на все предшествующее сформулируем выводы во всей прелести их практической применимости.

1. Мечтать о том, чтобы раздобыть где-нибудь настоящую, правильную, окончательную передаточную функцию своего автомобиля больше не нужно — выбирайте из меню. Меню не длинное, но, может, что подберете...

2. ...только смысла в этом особого нет. Не станете же вы рихтовать АЧХ сабвуфера в надежде попасть в особенности кривой передаточной функции?

3. На практике теоретической зависимостью пользоваться можно. Более того, можно упростить себе жизнь, ограничив себя одной-единственной кривой передаточной функции, на все случаи жизни. С таким подходом в пределы площадки, пользуясь спортивной терминологией, вы попадете. А точнее не попадете, какой бы индивидуальной ни была примененная вами кривая. Ведь именно там, где она начинает быть индивидуальной, начинается болтанка АЧХ, вызванная множеством факторов, не входящих в теорию компрессионной зоны.

4. На самых низких частотах ваша реальная АЧХ «отпадет» от теоретической и пройдет ниже. Насколько ниже — зависит от особенностей кузова и даже от его технического состояния. Повлиять на эту характеристику почти невозможно, ведь речь идет не о вибродемпфировании (вы ведь об этом подумали, признавайтесь), а о механической жесткости. А жесткость — это другая история. Посмотрите на боевые SPL-машины с их каркасами, стеклами на болтах и прочим. Посмотрите и забудьте. Доверьтесь судьбе.

5. Границы «болтанки» АЧХ на границе компрессионной зоны в большинстве случаев совпадает с областью деления полос между сабвуфером и мидбасами. Там-то и предстоят основные бои. Предстоит поиграть и месторасположением сабвуфера, и его ориентацией, не говоря уже о подборе частот разделительных фильтров. Поблагодарите тогда конструкторов кроссоверов, которые не поленились сделать ФВЧ и ФНЧ с раздельной регулировкой.

6. Басовый эквалайзер, когда он есть в усилителе, больше всего был бы нужен не на частотах 40 — 50 Гц, как чаще всего бывает, а на 25 — 40 Гц. Вот здесь с его помощью реально исправить АЧХ, проседающую от потерь на деформацию и утечки. Так что, если увидите такой (встречаются) — возьмите на заметку.