Вспомнить всё. Не закрытая тема. Закрытый ящик: полвека истории

Не закрытая тема.

АвтоЗвук №2 2006г., Вспомнить всё.

 Закрытый ящик: полвека истории и большое будущее

За один рабочий день, если взяться, можно найти с полсотни источников, от умных книжек до невнятного бормотания в Интернете, где будет сказано теми или иными словами: простейшее акустическое оформление динамического громкоговорителя — закрытый ящик. Наверное, уже понятно: я с этим согласиться не могу.

Давно не встречались (в этой рубрике), давно я вас ничем не удивлял. Вот прямо сейчас и начну. Считайте:

Закрытый ящик как способ акустического оформления громкоговорителя — предмет изобретения. У которого есть автор, номер патента и прочие американские пироги. Заявка на этот патент была подана в марте 1954 года, а удовлетворена — в декабре 1956-го, так что сейчас, можно считать, полу­вековой юбилей в самом разгаре. Патент, выданный в 1956 году, спустя шесть лет был оспорен в суде и аннулирован. Хотя к этому времени автор изобретения продал двум компаниям лицензии на использование плодов своего интеллектуального эксцесса и на полагающиеся выплаты жил припеваючи. Несмотря на судебную коллизию, образец первого серийного громкоговорителя в акустическом оформлении типа «закрытый ящик» стал экспонатом крупнейшего политехнического музея мира. Интеллектуальные эксцессы, направленные на усовершенствование(!) закрытого(Н) ящика(!!!), не только не прекра­щались на протяжении упомянутого полувека, они продолжаются до сих пор. Если для вас перечисленное ассоциируется с «простей­шим» — мы вкладываем в это слово разный смысл. Теперь — по порядку.

ЖИТЬ СТАЛО ЛУЧШЕ

Имя изобретателя закрытого ящика — Эдгар Вильчур. У нас граждане с такой фамилией тоже живут, по большей час­ти юристы и медики. Американский Вильчур до войны окон­чил колледж по линии изобразительных искусств, повоевал на Тихом океане, демобилизовался в чине капитана, поселился в Нью-Йорке и открыл там радиомастерскую. Чтобы соответ­ствовать, дипломированный художник Вильчур затруднился получением ещё одного высшего образования, на этот раз — технического, что его в итоге и прославило. Война закончи­лась, жить в Америке стало лучше, жить в Америке стало ве­селее, спрос на аудиотехнику (в тогдашнем представлении о ней) и её обслуживание рос не по дням, а по часам.

Вот тогда-то капитан запаса Вильчур и сделал одно из двух своих великих изобретений*.

Логично спросить: а что, до середины 50-х годов ни один динамик не оказывался вставленным в ящик с замкнутым объёмом? Оказывался, но как бы иначе. Взгляните, как разви­валось акустическое оформление громкоговорителей до Вильчура. Динамик (собственно головка) не может воспроизводить низкие частоты, потому что происходит акустическое короткое замыкание: вместо того, чтобы создавать волну давления перед диффузором, динамик перекачивает воздух от передней стороны диффузора к задней, движущейся в противоположную сторону. Чтобы этого не происходило, динами стали ставить в акустический экран. Скорость распространения волны давления (она же — скорость звука) в воздухе конечна и известна. Пока волна давления не обежит акустический экран и не даст себя погасить противофазной волной тыльной части диффузора, динамик не будет излучать звук как положе­но. Когда расстояние от передней ча­сти диффузора до задней по кратчай­шему пути (через край экрана) срав­няется с длиной полуволны на этой частоте, интенсивность излучения

начнёт падать. Теперь прикиньте цену вопроса: при экране метр на метр расстояние от передней стороны диффузора до задней (с поворотом через край экрана) будет тот же метр, а это — полволны на частоте 67 Гц.

*Вторым в 1958 году стала купольная пищалка. Сегодня это не в тему, но не снять шляпу перед этим человеком может только не имеющий сердца. Отсутствие шляпы как оправдание не принимается.

Громкоговоритель AR-3, воплотивший оба

изобре­тения Вильчура, акустиче­ский подвес

и купольную пищалку, составляет часть

экспозиции Смитсонианского Института в США

Довольно быстро сообразили, что экран может быть и не­плоским, и завернули его в эдакий полуящик. Так, собственно, и были многие годы устроены акустические системы радио­приёмников и радиол середины прошлого века. Элементарная бытовая логика подсказала: а что если «приделать дно закро­мам Родины»? Закрыть ящик сзади, закрыв и вопрос об акус­тическом замыкании. Заманчиво? Да, но тут же открылся дру­гой вопрос. Если при открытом ящике диффузор гонял воздух туда-сюда практически беспрепятственно, то замкнутый объ­ём стал сопротивляться, обладая упругостью. Резонансная ча­стота динамика, на которую никак не влияла его установка в экран или в «полуящик», тут же подскочила: упругость воз­душного объёма была эквивалентна увеличению жёсткости подвеса. Ящики приходилось делать настолько большими, чтобы упругость воздуха внутри оказывалась намного ниже упругости собственно подвеса головки. Итог: зародившееся в Америке в начале 50-х движение за высокую верность звуко­воспроизведения, и поныне известное как Hi-Fi, породило и чудовищного размера звуковые колонки.

Собственно, то, что предложил Вильчур, называлось и до сих пор иногда называется acoustic suspension — акустический подвес. Многие из тех, кто интересовался вопросом, искрен­не считают, что это было придумано с целью уменьшить га­бариты громкоговорителей. Так на самом деле и произошло, но это было не основной, а побочной целью Вильчура.

Около года назад, в контексте продолжающегося юбилея, Вильчур давал интервью журналу «Stereophile», где толково объяснил, что привело его к идее закрытого ящика. Его це­лью было снижение нелинейных искажений, вносимых акус­тическими системами. В 50-е годы можно было запросто ку­пить усилитель (ламповый, жили же люди!) с нелинейными искажениями меньше 0,5% при мощности чуть ли не 50 Вт. Однако присоединенный к такому усилителю громкоговори­тель тут же повышал суммарный коэффициент гармоник как минимум в двадцать раз. Вильчур задал себе вопрос: почему? И ответил: из-за нелинейности подвеса.

В те годы подвес диффузора дина­мика классической уже тогда конструк­ции состоял из жёсткой центрирующей шайбы, часто сделанной из гетинакса в форме эдакого паука (откуда и сохра­нившееся в англоязычной литературе слово spider применительно к этому элементу конструкции динамика) и го­фра, который тогда был действительно гофром — волнистой частью диффузо­ра, обеспечивавшей ему возможность перемещаться вдоль оси магнитной си­стемы. Всё вместе это образует пружи­ну, вместе с массой диффузора и звуко­вой катушки создающую колебатель­ную систему.

Популярное объяснение принципа акустического подвеса в одной из статей Вильчура

Всякая рукотворная пружина не идеальна. Её реакция на сжатие или растяжение не вполне линейна, она мо­жет быть сжатой до упора (эффект на­сыщения), её параметры зависят от вре­мени и множества иных факторов. Но ведь есть же идеальная пружина, это — упругость воздушного объёма. Воздух не устаёт, не изнашивается, воздушная пружина всегда линейна. Или намного более линейна, чем любая другая. И тогда Вильчур решил сделать динамик с воздушной пружиной, что обещало намного большую линейность подвеса.

Само по себе прозрение Вильчура удивляет очевидностью (глядя из нового века, задним умом-то кто не крепок). Суще­ствовало (и до Вильчура, только он всё очень чётко сформу­лировал) понятие «оптимальной резонансной частоты». Оно означало следующее: у динамика с более или менее ровной АЧХ с понижением частоты вплоть до резонансной амплиту­да диффузора растёт обратно пропорционально квадрату час­тоты. То есть: от 100 до 50 Гц амплитуда возрастает вчетверо, а звуковое давление остаётся неизменным (в идеальном слу­чае). Ниже резонансной частоты амплитуда расти перестаёт, а создаваемое звуковое давление падает со скоростью 12 дБ/окт.

Значение частоты, ниже которой останавливается рост амплитуды (а это резонансная часто­та), должно быть увязано с возможнос­тями динамика. Ну, например: если бы у 6-дюймовой головки тех времён, с весьма ограниченным ходом диффузо­ра, сделать резонансную частоту 50 Гц, то при приемлемой громкости звуча­ния задолго до достижения этой часто­ты амплитуда превысит возможности подвеса, всё захрипит, привет семье. Если же взять динамик большего диа­метра, ему для создания того же звуко­вого давления амплитуда потребуется меньшая, поэтому ему можно позво­лить играть ниже.

«НЕ ЗАБУДУ ТОТ МАТРАС...»

Все предшествующие конструкторы акустики выбирали частоту резонанса динамика оптимальным образом, а по­том устраивали ему такое оформление, чтобы её не испортить. Эдгар Вильчур пошёл другим путём. Он предложил за­ранее сделать резонансную частоту головки намного ниже оптимальной, рез­ко увеличив гибкость подвеса. А потом посадить динамик в ящик небольшого объёма, так, чтобы упругость воздуш­ного объёма внутри и стала основной в системе «динамик — ящик». Заменив, по существу, пружину в виде гофра и центрирующей шайбы не подвержен­ной усталости и совершенно линейной пружиной в виде воздушного объёма, Вильчур рассчитывал в первую очередь добиться радикального снижения нели­нейных искажений. И добился, отме­тим это.

Для проверки своей идеи Вильчур собственными руками изуродовал вполне исправный 12-дюймовый дина­мик Western Electric. Пока он был ис­правен, имел вполне традиционную для басовых динамиков того времени резо­нансную частоту 50 Гц. Для того чтобы динамик нормально играл, ему требо­вался объём около 300 л. Вильчур уда­лил гофр, заменив его кольцом, вы­дранным из обивки матраса (тоже, ве­роятно, до тех пор исправного), и выре­зал большую часть центрирующей шай­бы. Получившееся после высыхания клея чудо техники обла­дало резонансной частотой 12 Гц, жёсткости подвеса едва хва­тало на то, чтобы удержать звуковую катушку в зазоре. На ре­зонансную частоту 50 Гц осквернённый Western Electric вышел в объёме 60 л. При этом, как посчитал Вильчур, только 6% упругости системы порождалось остатками подвеса, осталь­ные 94% приходились на упругость воздушного объёма. Не­линейные искажения на низких частотах снизились в разы. То, что при этом в разы уменьшились габариты акустической си­стемы, Вильчур, как истинный маньяк высококачественного звуковоспроизведения, поначалу и не заметил. Хотя именно это принесло ему и деньги, и неприятности.

ПАТЕНТ. СУД. СИБИ... НЕТ, БЕЗ СИБИРИ...

Всякую идею в Америке полагается патентовать и продавать. Вильчур по­дал заявку и через положенное время патент получил. Редчайший для США случай: в низу первой страницы документа стоит подпись только автора изо­бретения, а не автора и юрисконсульта как обычно. Вильчур обратился к юри­сту, узнав вначале, сколько стоят услуга по составлению грамотной заявки. Ока­залось — 30 долларов в час. Для капи­тана запаса это были деньги, и он ограничился ровно одним часом консульта­ции, решив остальное сделать самосто­ятельно. За что потом и поплатился ку­да большими суммами.

Но это было потом. А пока своё изо бретение Эдгар Вильчур стал предла­гать производителям акустики. Реакцш специалистов была примерно такой «Если бы это могло работать, наши инженеры это давно бы придумали. Спасибо, что зашли». Адек­ватно прореагировал только один человек, слушавший в то время лекции Вильчура по акустике в университете. Звали студента Генри Клосс. С ним вскоре Вильчур основал фирму Acoustic Research, которая в нашем сознании прочно связана с другим именем — Роя Аллисона, отчасти, может быть, пото­му, что инициалы схожи. Но Аллисон купил AR потом, когда фирма уже прочно стояла на ногах.

Именно Генри Клосс ответственен за успех первой серий­ной модели колонок с акустическим подвесом AR-1, открыв­ших целое направление в индустрии акустики — полочных систем. До этого сама мысль, что колонка может стоять не на полу, воспринималась как абсурд. Экземпляр такой колонки (модели AR-3) находится на вечной экспозиции в зале Смитсонианского Института в США. Рядом с громкоговорителем-фазоинвертором и катушечным магнитофоном Telefunken. В соседнем зале — самолёт братьев Райт (оригинал).

А дальше всё пошло, как в фильме про американскую мечту. Генри Клосс, одна из легенд электроакустического биз­неса, вскоре вышел на собственную тропу, основав компанию KLH (слыхали, наверное), позлее — Advent (тем более слыха­ли), а в последние годы жизни — Tivoli Audio (если не слыха­ли, могу показать: у меня есть приёмник Tivoli Model One, сзади так и написано: «By Henry Kloss»). Лицензия на произ­водство акустических систем по патенту Вильчура была, есте­ственно, у его собственной компании, Acoustic Research, она же была выдана KLH на льготных условиях и Heathkit по пол­ному доллару.

И тут, как в кино про американскую мечту, грянул гром. Гари Олсон. Тоже легенда, они там все такие собрались. Глава отдела акустических разработок RCA, герой невидимого фронта, которому его родина обязана своей гидроакустикой во время Второй мировой, подал иск в неподкупный амери­канский суд, требуя аннулировать патент Вильчура. Основа­ние: существенные признаки изобретения совпадают с теми, которые Олсон защитил патентом в 1949 году.

Внимательное изучение документов показывает: патриарх имел в виду совершенно иное, но по крючкотворским прави­лам получалось, что патент Вильчура должен быть аннулиро­ван. Проигравший в этом процессе спустя годы признавался: будь заявка составлена с профессиональной помощью, этого бы не произошло. Но произошло, спустя всего шесть лет по­сле выдачи на руки исторического документа. Хорошо хоть, что электронные архивы не горят...

Вильчуры — народ крепкий. Не ввязываясь в дальнейшее сутяжничество, Эдгар спокойно принял поджопник от аме­риканской патентной Фемиды, продал Acoustic Research Рою Аллисону и занялся другими делами. Кстати, имея патент на купольную пищалку, предоставил возможность пользоваться им кому заблагорассудится.

НАЗАД В НАСТОЯЩЕЕ

Позвольте, спросит иной, надеюсь, немногочисленный читатель, что нам с того, кто какой матрас резал и кто с кем судился? В чём пафос изобретённого? А вот в чём: до Эдгара Вильчура громкоговоритель считался законченным изделием, которое надо было куда-то привинтить, чтобы не падал. Вильчур взглянул на громкоговоритель по-другому, как на компонент, полуфабрикат акустической системы. Он впервые отважился изготовить динамик, который сам по себе не иг­рал, требуя недостающего компонента акустической системы — закрытого ящика с определёнными свойствами (читай — объёмом).

Представьте себе (трудно, но постарайтесь), что автомо­биль появился на полвека раньше поезда. Все привыкли: вот машина, ездит, куда рулишь, разве что камни с дороги убрать.

И вдруг приходит бесноватый изобретатель и предлагает автомобиль с железными колё­сами, который просто так ездить не может, надо проложить две длинные железяки, по ним поедет — будь здоров. Куда бы его по­слали? Далеко и на резиновом ходу, без вся­ких железяк.

Для нас на практике это означает нечто неожиданное. На первый взгляд. Закрытый ящик, по существу, никаким акустическим оформлением не является. Это просто сред­ство управления параметрами громкогово­рителя. Никаких процессов, которых не бы­ло бы у «голого» динамика, закрытый ящик не порождает. Динамик в области низких ча­стот — система с одной степенью свободы. У него есть масса колеблющихся частей, упру­гость и вязкое сопротивление, возникающее при колебаниях. Всё.

Внешне эти три характеристики выража­ются в том, что у динамика есть свойствен­ная ему резонансная частота (определяемая массой и упругостью) и добротность (на ко­торую решающим образом влияет вязкое со­противление — механическое и электричес­кое). Когда мы сажаем динамик в историчес­ки первое акустическое оформление, экран, он об этом вообще может не узнать. Мы слы­шим, что низкие частоты стали слышны, а динамик работает точно так же, не подозре­вая, что уже приносит пользу.

Замкнём экран, сделав ящик очень боль­шого объёма. Динамик по-прежнему ни о чём не догадывается. Начинаем уменьшать ящик, в какой-то момент динамик почувствует: помимо соб­ственной упругости, ему приходится сжимать-растягивать ещё одну пружину, образованную закрытым воздушным объ­ёмом. Из трёх механических параметров динамика изменится лишь один — общая упругость подвеса, складывающаяся из собственной (гофр и центрирующая шайба) и упругости воз­духа «за спиной». С точки зрения результирующего значения резонансной частоты (и добротности), никакой разницы нет. Можно динамик с жёстким подвесом поместить в большой объём, обладающий очень малой жёсткостью, или динамик с мягким подвесом пристроить в малый объём, имеющий боль­шую жёсткость. Результат с точки зрения частоты резонанса будет один и тот же. Что (возвращаясь на секунду в прошлое) с помощью ножниц и матраса было продемонстрировано пол­века назад. Разница, однако, в том, что воздушная пружина гораздо лучше резиновой, она более линейна. И с этой позиции, чем более мягкий динамик мы берём изначально, тем лучше он будет работать в закрытом ящике, когда мы его выведем на требуемое значение резонансной частоты.

Так это было изначально задумано. Во многом так это ос­талось в домашней акустике. Увы, надо констатировать, что автомобильные сабвуферные головки ушли от истоков до­вольно далеко. Мы часто в ходе тестов подразделяем сабвуфе­ры на «тонкие» и «толстые». Первые, с лёгкой подвижкой и мягким подвесом, близки к классическим головкам для акус­тического подвеса. Будучи помещены в ящик оптимального объёма, они в значительной мере опираются на воздух в ящи­ке, а не на собственную упругость. И, как показывает статис­тика тестов, у таких головок при средних уровнях звукового давления нелинейные искажения оказываются ниже, чем у «толстых». У этих в погоне за максимальным звуковым давле­нием (а значит, за максимальным ходом диффузора) подвижная система становится мощной, как следст­вие, тяжёлой, а подвес, который в состоянии её удержать «в рамках» — жёстким. Поме­щая такую головку в закрытый ящик, вы по­лучаете как бы «полуакустический» подвес, значительную часть суммарной жёсткости которого динамик «несёт с собой». Нелиней­ные искажения при одном и том же звуковом давлении у такого динамика будут выше, но выше будет и достижимый предел звукового давления, «толстый» станет басить грубова­тым голосом на такой громкости, на которой музыкальный «тонкий» уже исчерпает воз­можности подвеса и застучит катушкой. При прочих равных. Так что правота «закрывателя ящика» доказана практикой. Воздушная пружина лучше резиновой. А кстати, почему воздушная?

ПРИРОДА ТЕРПИТ ПУСТОТУ. НО НЕДОЛГО

Действительно, а что иное может оказаться в ящике низ­кочастотного громкоговорителя, кроме воздуха? Практика показывает, что туда довольно часто помещают всякие рых­лые и мягкие материалы, называя их «звукопоглощающими». Зачем? Принято думать, что добавление в воздушный объём закрытого ящика волокнистых материалов, например ваты (простой, синтетической, стеклянной или минеральной), ме­няет его характеристики таким образом, который обычно ха­рактеризуется формулой «ящик становится как бы больше». Это, знаете ли, метафизика, что значит «как будто больше», если мы договорились: характеристики динамика и ящика об­разуют единую колебательную систему, у которой только три параметра: масса колеблющихся частей, жёсткость их подвеса и вязкое сопротивление колебанию? Многократно повторен­ный практический опыт, тем не менее, свидетельствует: если заполнить объём ящика, скажем, ватой или более практич­ным в обращении синтепоном, меняется звучание сабвуфера, а если дать труд измерить его характеристики, становится оче­видно: меняются резонансная частота и добротность. Причём действительно так, как если бы ящик вдруг стал больше, то есть — в сторону понижения.

Давайте разберёмся, почему. Что может изменить ба­нальная вата в характеристиках колебательной системы? Массу подвижных частей? Никоим образом, диффузор и звуковая катушка весят столько, сколько они весят, если есть лишние деньги, можно отрезать их от подвеса, поло­жить на весы, а потом заполнить ватой хоть всю комнату, показания весов, как вы понимаете, не изменятся. Вязкое сопротивление? Можно, в принципе, такое допустить, но если бы дело было только в этом, изменялась бы доброт­ность, но не резонансная частота, а она очевидным (вернее — измеряемым) образом снижается. Значит, остаётся уп­ругость воздушного объёма.

Как влияет волокнистый материал на упругость воздуха? За счёт изменения теплоёмкости среды. Представьте себе ди­намик в герметичном (а другой случай мы не рассматриваем) закрытом ящике. Когда диффузор движется назад, внутрь ящика, он сжимает находящийся там воздух, уменьшая его объём и, как следствие, повышая давление внутри. Именно в повышении давления при одном направлении движения диф­фузора и, наоборот, появлении разрежения при противопо­ложном и заключается упругая реакция воздушного объёма. Предположим: диффузор площадью 100 кв. см колеблется с амплитудой 1 мм в каждую сторону. Если динамик привин­чен к ящику объёмом 10 л, каждое колебание, легко прики­нуть, приведёт к изменению объёма внутри ящика на 10 куб. см. Одну сотую литра. Одну тысячную от первоначального объёма. Всего лишь. Настолько же повысится давление внут­ри, на одну тысячную атмосферы. Через долю секунды (одну двухсотую, если диффузор колеблется на частоте 100 Гц) диф­фузор пойдёт вперёд, и внутри ящика возникнет разрежение в ту же одну тысячную атмосферы. И вот такое, на первый взгляд ничтожное, изменение давления образует упругую си­лу, сопоставимую, а часто и превышающую собственную уп­ругость подвеса динамика.

Впрочем, едва ли приведенные величины покажутся вам смехотворными, если посчитать: такие же периодические из­менения давления в салоне машины соответствуют звуковому давлению около 150 дБ. Звук по определению — слабые воз­мущения, здесь шкала ценностей специфическая, не та, что у погружного насоса.

Теперь смотрите: если объём ящика будет вдвое меньше, то такое же смещение диффузора вызовет изменение объёма уже не в одну тысячную от первоначального, а вдвое боль­ше. Вдвое больше будет и изменение давления, удвоенная сила станет возвращать диффузор на место при каждом хо­де, и это означает, что наша воздушная пружина стала вдвое более жёсткой.

А теперь представьте себе, что диффузор и ящик — это поршень и цилиндр, аналогия более чем уместная, в области низких частот диффузор работает в так называемом поршне­вом режиме, двигаясь как одно абсолютно жёсткое целое. Что произойдёт, если, двигаясь внутрь цилиндра, поршень умень­шит его объём не на одну тысячную, а в десять раз? То, что происходит на каждом цикле сжатия в моторе. Давление уве­личится не в десять раз, а больше, потому что воздух от сжа­тия нагреется. В дизеле от одного сжатия воздух нагревается, как известно, настолько, что в нём солярка вспыхивает.

Происходит ли то же самое при мизерных (казалось бы) изменениях объёма внутри ящика, когда поршнем работает диффузор? А как же, законы природы неумолимы. Ровно в такт с пульсациями давления внутри ящика происходят и пульсации температуры. На сотые или тысячные доли граду­са, но это неважно, давление тоже пульсирует на гроши, а диффузор этому беспрекословно повинуется. Значит, когда объём изменяется на одну тысячную, но при этом воздух чуть нагрелся, давление возрастёт уже, скажем, на полторы тысяч­ные, сила, действующая на диффузор, окажется больше, что означает только то, что может означать: воздушная пружина жёстче, чем мы ожидали. Всё это прикидывается и считается по уравнению газового состояния, и всё это заложено в изве­стные формулы и программы для расчёта сабвуферов в виде удельной жёсткости воздуха.

Причём заметьте: система линейна, значит, всё, что проис­ходит внутри ящика, будет происходить, по сути, одинаково, как бы ни была мала амплитуда колебаний диффузора. Здесь ведь важны не абсолютные величины, а отношение микроскопических изменений объёма к микроскопических изменениям давления и температуры, причём обратимым образом: ровно настолько, насколько воздух нагрелся при движении диффузора внутрь, он остынет при обратном ходе в нейтрали, а потом настолько же охладится при возникновении разреже­ния в ящике. И будет это происходить столько раз в секунду, сколько герц в подведенном к динамику сигнале.

Здесь следует упомянуть об одном недоразумении, порой овладевающем пытливыми умами. Периодические микроиз­менения температуры в ящике путают с постоянным тепловы­делением звуковой катушки, которое здесь совершенно ни при чём. Уравнение, повторю, газового состояния требует, чтобы при любом изменении давления газа менялась и его температура. Это, в соответствующей пропорции, происходит и перед нашей головой, когда мы говорим по телефону. И то, что это нельзя измерить градусником из аптеки, так же зако­номерно, как и то, что колебания давления при звуке даже убийственной громкости нельзя зафиксировать сантехничес­ким манометром. Так что давайте оставим ползучий сенсуа­лизм, дескать, что я не ощущаю, то разуму не подвластно. Де-ни Дидро в электроакустике — никакой не авторитет.

Сказанное про микропульсации температуры справедливо в предположении, что тепло от находящегося в ящике возду­ха не успевает уйти во время сжатия (и нагрева), как и вер­нуться во время разрежения (и охлаждения). А это действи­тельно так, потому что — не успевает, сколько раз в секунду, прикиньте. Всё тепло болтается внутри. А если исхитриться его как-то по-быстрому отводить при нагреве, а потом возвра­щать при охлаждении? Тогда «эффект дизеля» ослабеет, коле­бания давления при тех же изменениях объёма станут меньше, значит, упругая сила, действующая на диффузор, тоже умень­шится, что будет означать уменьшение жёсткости воздушно­го объёма.

Если поместить внутрь ящика что-нибудь такое, что даже за миллисекунды успевало бы при повышении температуры за­брать часть тепла на себя, а при понижении — отдать обратно, это было бы эквивалентно повышению теплоёмкости среды и уменьшению колебаний давления при тех же пульсациях объё­ма. Что может сыграть такую роль? У любого твёрдого веще­ства она намного выше, чем у воздуха, надо только обеспечить максимальную площадь теплообмена, а именно у волокнистых материалов наибольшее отношение поверхности к объёму.

Любопытно заметить: возможность влиять на свойства среды внутри закрытого ящика была упомянута тем же чело­веком, который предложил саму идею, и в том же документе. Вильчур собирательно назвал материал, заполняющий ящик, стекловолокном, а объяснение его действия сформулировал несколько по-другому. Если вкратце: упругость объёма зави­сит от скорости звука в среде, а в присутствии волокнистого заполнителя она снижается. Иное ли это объяснение происхо­дящего? Да вовсе нет. Скорость звука в среде — её термоди­намическая характеристика, и теплоёмкость закопана внутри, можно выкопать, если помудрить с уравнениями, чему здесь и сейчас никак не место*.

Изобретение Эдгара Вильчура, при всей кажущейся про­стоте, открыло целое направление в конструировании акустики, расширив ровно вдвое область приложения пытливой мысли. Если раньше считалось, что характеристики акустики зависят от динамика, а остальное — почти декор, то с изобре­тением акустического подвеса объём закрытого ящика стал полноправной частью акустической системы. И если прежде пытались усовершенствовать только сам динамик, то потом стали пытаться усовершенствовать и... воздух внутри ящика.

Заполнение стекловолокном (или чем-либо похожим) — только первый шаг на этом пути. Предлагались самые разные способы повлиять на свойства среды внутри закрытого ящи­ка, в основном — с целью снижения жёсткости при заданном объёме, что сулило возможность уменьшения габаритов ящи­ка при заданных параметрах.

Для примера приведу всего лишь одно предложение, авто­ра которого в нашем мире хорошо знают — Юджин Червин­ский, чьим именем названа торговая марка Cerwin-Vega! (вос­клицательный знак, как вам должно быть известно — неотъ­емлемая часть зарегистрированной марки). Пан Червинский додумался до того, чтобы внутрь ящика поместить мягкий, но газонепроницаемый мешок, внутри которого будет газ со свойствами иными, нежели у воздуха, а конкретно — с гораз­до большей теплоёмкостью, чего ранее добивались путём до­бавления разных заполнителей. Он даже предусмотрел воз­можность использования паров жидкости на пороге насыще­ния, тогда вместо повышения давления в ящике в такт движе­нию диффузора происходили бы циклы испарение-конденса­ция, а пульсации давления почти отсутствовали. Случись это­му изобретению быть реализованным, нам пришлось бы пе­ред тем, как слушать музыку, включать на некоторое время спирали подогрева рабочей жидкости в колонках. Тут опять просится аналогия с дизелем и его свечами накаливания. Сла­ва богу, патент остался лежать под сукном.

ПРИРОДА НЕ ТЕРПИТ ПРОСТОТЫ

Простейшее, как считается, акустическое оформление, ко­торое на самом деле — способ управления параметрами гром­коговорителя, уже начинает показывать свой нрав. Но это — не конец. На самом деле, что мы потрудились подтвердить экспериментально, закрытый ящик и закрытый ящик с запол­нением — два разных вида акустического оформления. Дело в том, что, помимо рассмотренного механизма влияния на сжимаемость среды в ящике, присутствие в нём чего-то рых­лого и пушистого неизбежно увеличивает и потери в системе, ведь акустическая энергия рассеивается на волокнах заполни­теля так же, как энергия колебаний диффузора рассеивается в неидеально упругом материале подвеса или при прокачива­нии воздуха сквозь узкую щель магнитного зазора. Так что существует не один, а два механизма, по которым присутствие в ящике чего-то, кроме застоявшегося воздуха, влияет на пара­метры системы «головка — ящик».

Трудно было удержаться, чтобы не проверить опытным путём, как проявляются эти два механизма (впрочем, мы осо­бенно и не старались удержаться). А заодно — дать хотя бы ориентиры ожидаемого эффекта заполнения ящика в зависи­мости от количества и качества заполняющего материала.

Опытным полигоном стала полочная колонка KEF Coda III из музея редакции. Классический случай acoustic suspen­sion: у 8-дюймовой НЧ-головки собственная резонансная ча­стота 34 Гц, эквивалентный объём — почти 80 л. Объём ящи­ка — 19 л, то есть результирующая жёсткость на две трети оп­ределяется упругостью воздушного объёма. Это, конечно, не как у Вильчура, там — на 90%, но это было давно и для дру­гого опыта.

Было закуплено некоторое количество синтепона, матери­ала, наиболее часто используемого в практике заполнения, а у одного из дачников изъяты излишки теплоизоляционного ма­териала Isover на основе стекловолокна.

Основательно распушённый (это оказалось важно) синте­пон порциями, взвешиваемыми на электронных весах, добав­лялся в ящик, после чего измерялись параметры акустичес­кой системы — резонансная частота и добротность.

С каждой новой порцией белого и пушистого материала и то и другое снижалось. Заметно. Потом полученные результа­ты загнали в «Эксель» и построили график относительного из­менения параметров по сравнению с пустым ящиком как функцию плотности заполнения (в граммах на литр объёма). При заполнении синтепоном иссякли на отметке 18 г/л, при этом объём оказался заполнен практически полностью. Резо­нансная частота снизилась с 78 Гц до 70, то есть — на 9%. Классический вопрос: много это или мало? Взгляните: если вернуться к отвергнутой нами за невнятностью логике «вирту­ального увеличения объёма», легко посчитать, что для получе­ния такого снижения частоты резонанса объём потребовалось бы сделать не 19, а 24 л. То есть — на 28% больше. А это — эффект, и весьма существенный. Что будет происходить при промежуточных значениях плотности набивки, легко снять с графика, который мы и предлагаем в качестве ориентира.

Однако, как говорили герои русских народных сказок, «Чу!». А вторая кривая, отражающая изменение добротности системы? Она-то куда провалилась? Если бы работал только один механизм, связанный с увеличением сжимаемости (сни­жением жёсткости) объёма, кривые для резонансной частоты и добротности шли бы рука об руку. Добротность падала бы в силу уменьшения общей доли упругих сил в системе. А она падает быстрее, это включился второй механизм, роста вяз­ких потерь в ящике. Включился параллельно первому, при максимальном заполнении Qtc составила 84% от исходной, чтобы добиться такого простым увеличением объёма, его по­требовалось бы увеличить до 31 л, что на 66% больше перво­начального.

А теперь, пожалуйста, внимательно: мы обещали доказать, что ящик и ящик с заполнением — два разных вида акустиче­ского оформления. И только что доказали. Изменяя объём ящика (пустого), мы синхронно и строго пропорционально изменяем и резонансную частоту, и добротность. Изменить соотношение между ними простым воздушным объёмом — нельзя. А варьируя заполнением, мы изменяем добротность системы сильнее, чем резонансную частоту, и это более мощ­ное, хотя и более хлопотное средство управления параметра­ми системы.

Опробовали мы и второй заготовленный материал, на ос­нове стекловолокна. Из графика очевидно: всё происходит аналогично, но при вдвое меньшей плотности заполнения. На практике синтепон всё же лучше, после опыта с «Изовером» вся испытательная бригада чесалась, как три беспризорника.

Закончив чесаться, задали себе вопрос: а можно ли вычле­нить один из механизмов, по которому заполнение ящика влияет на параметры акустической системы?

Можно. Любой из двух. Представьте себе, что вы запол­нили звукопоглощающим материалом открытый ящик. Тог­да об упругости воздуха речь идти не будет, динамик работа­ет на бесконечный объём, а вносимое звукопоглотителем вяз­кое сопротивление останется. Что получается? То, что назва­но панелью акустического сопротивления или же — аперио­дической нагрузкой. Она именно потому и называется апери­одической, что в отличие от закрытого ящика упругости в си­стему не вносит, только потери. Для грубой, качественной оценки: вычтите из нижней кривой на любом из графиков верхнюю, и вы получите эффект от ПАС. К сожалению, достоверной методики расчёта и моделирования такого акусти­ческого оформления нет, один сплошной эмпиризм. Но удачные реализации — есть, они несколько раз всплывали на наших страницах.

Можно ли выделить второй механизм, тепловой? Тоже можно.

1500 ПЕТРОВ ПРОВОДА И РЕКА СУНГАРИ

Для этого решили взять материал, у которого с теплоём­костью полный порядок, а способность вносить акустические потери — под сомнением. В качестве такового выбрали очень тонкую медную проволоку. Сорок микрон в диаметре. Про­волоку сматывали в бобины в четыре руки, а потом припаха­ли к процессу не вовремя попавшегося на глаза эксперта жур­нала «Салон AV». К концу процесса получили очень красивую золотистую бороду массой чуть больше 30 граммов, в кото­рой находилось полтора километра проволоки. Измерения показали: и резонансная частота, и, что важно, добротность изменились мало, но одинаково, снизившись примерно на 3%. То есть: тепловой механизм работал, а акустический — нет, какой из меди звукопоглотитель... Заменили медную проволоку алюминиевой фольгой, раз дело в отношении поверх­ности к объёму. Аналогичный эффект, только ещё более сла­бый, порядка 1,5% по обоим параметрам. Результат — чисто академической ценности, поскольку площадь поверхности за­полнителя в обоих случаях была невелика: от 0,5 до 1 кв. м.

И тут произошло загрязнение окружающей среды. Не у нас, а на Дальнем Востоке, китайским бензолом. В новостях то и дело проскальзывало про запасы активированного угля, и нас осенило: отношение суммарной поверхности пор к объёму самое чумовое именно у сорбентов. В данном случае (посмот­рели по справочной литературе) — до 1000 кв. м на 1 г массы.

Добыли нужного вещества в магазине для аквариумистов и приступили. Прошу поверить: только потом, обмолвив­шись где-то о творимых безобразиях, узнали, что ровно в этом направлении сейчас ведёт поиск фирма KEF (как в воду глядели, выбирая колонку для первой части эксперимента). Там это называется АСЕ (Acoustic Compliance Enhancement). Означает то же самое, о чём мы толкуем, и, главное, матери­ал тот же — активированный уголь.

Для этого опыта мы взяли из машины одного из участни­ков исследований 4-дюймовую головку Eton, поработавшую достаточно для стабилизации параметров, снарядили ею тес­товый бокс объёмом 2,8 л и стали постепенно добавлять внутрь гранулированный активированный уголь. Результата (ещё не зная про KEF) ждали, но ждали слабенького. И были изрядно удивлены обнаруженным эффектом. Когда ящик оказался заполнен углём больше чем наполовину (1,5 л из 2,8), и резонансная частота, и добротность снизились на 6%, притом что глаза ясно видели, насколько уменьшился свобод­ный объём внутри ящика. Если бы требовалось снизить резо­нансную частоту и добротность, увеличивая объём бокса, он для такого изменения должен был бы стать объёмом 3,6 л (против 2,8). При этом, как мы и ожидали, падение доброт­ности обгоняло падение резонансной частоты совсем нена­много, то есть сорбент влиял, главным образом, на сжимае­мость среды внутри ящика, а не на потери. Сюжет, однако...

НА ПОСОШОК

Сумел ли я убедить читателя, что закрытый ящик прост по схеме, но отнюдь не примитивен по рождению и принципу дей­ствия? Очень надеюсь. Теперь остаётся лишь употребить новые (или освежённые, у кого как) знания на практике. Известно, что на что влияет, известно теперь даже, как можно довольно гибко управлять параметрами динамика одним только ящиком плюс немного белого и пушистого. Дело за малым — знать це­левые характеристики, то есть: какой же в итоге должна ока­заться резонансная частота и добротность, если мы проектиру­ем автомобильный сабвуфер. Тема далеко не простая, путани­цы и там хватает, этому посвятим следующий выпуск «В.В.». 

Источник: журнал "Автозвук", №2/2006. Автор: Андрей Елютин.