Контрапертурная акустика своими руками. Контрапертурная акустика

Как выглядят типичные колонки, знает и домохозяйка – для этого даже не обязательно читать глянцевые HI-Fi-журналы. В магнитоле, в музыкальном центре, наконец в домашнем кинотеатре - везде мы видим динамики традиционной конструкции. Бумажные, полимерные, кевларовые, алюминиевые, фибергласовые (нужное подчеркнуть) диффузоры и купола смотрят на нас с фасадов разнокалиберных колонок. Материалы, формы и цены колонок могут существенно различаться, но принцип везде одинаковый. Все типичные колонки - это так называемые акустические системы (АС) прямого излучения, в которых звуковые волны распространяются в сторону слушателя. Этот принцип отточен десятилетиями конструкторского опыта, и на его основе построено большинство всех колонок в мире - от «бумбоксов» до роскошного «хай-энда». Однако встречаются и другие интересные разновидности - в частности, эксплуатирующие популярную в последнее десятилетие идею ненаправленного звучания. Например, так называемые контрапертурные АС.

Здесь очень хочется внести патриотическую нотку: контрапетурная «акустика» разработана и запатентована в России. А сегодня патенты на изготовление контрапертурных АС приобрели несколько зарубежных компаний, в частности итальянская Bolzano Villetri . Контрапертурные - значит «противонаправленные» :динамики в них «смотрят» не на слушателя, а направлены вертикально и соосно друг с другом. Так называемая полная контратурная АС содержит вдвое больше динамиков, чем стандартный двухполосный громкоговоритель. Упрощенный вариант - половинная контрапертура, как ясно из названия, представляет собой несимметричную «половинку» от полной контрапертуры, а вместо верхнего блока динамиков используется особый рассекатель звуковых волн. В любом случае все это весьма затратно не только для какого-нибудь самодельщика, но и в массовом производстве, зачем же такие сложности?

Не вдаваясь в технические рассуждения, можно уже по виду этих «песочных часов» сделать вывод, что звучание такой АС будет практически ненаправленным почти во всем звуковом диапазоне, от глубокого «ухающего» баса до «цыкающих» высоких частот. Здесь действует простой принцип, присущий любому излучателю, независимо оттого, испускает ли он звук или электромагнитные волны. Если источники колебаний (динамики) выстроены в одной плоскости, то в перпендикулярной плоскости их излучение будет слабо направленным. В контрапертурной «акустике» динамики выстроились по вертикали - соответственно, звуковая волна в горизонтальной плоскости получается почти сферической, подобно тому, как распространяются круги по воде от брошенного сверху камня. Конечно, тут есть свои тонкости, но общий смысл именно таков.

Сделано это для того, чтобы слушатель, разгуливающий по комнате, слышал во всех ее точках одинаковое звучание . Не обязательно сидеть посреди дивана в «оптимальной точке стереотреугольника» и еще приглашать девушку последовать вашему примеру - танцуем в свое удовольствие, а звук во всей комнате одинаково богат тембрами! Такого сложно достичь с колонками традиционной конструкции. Все знают, что если развернуть обычные колонки, то «пропадут» высокие частоты, звук станет глухим и неинтересным. У «акустики» с круговой направленностью характер звучания всегда очень необычен. Восприятие знакомых музыкальных записей меняется кардинальным образом именно из-за хитростей с распространением звуковых волн. Основной фактор здесь - влияние комнаты. Обычно звуковые волны распространяются от колонки в ограниченном угловом секторе, поэтому влияние комнаты минимально: звук успевает дойти до ушей прежде, чем к нему присоединяется переотраженная стенами так называемая «диффузная» составляющая. О том, насколько она сильна, можно судить по незатейливому житейскому опыту: хлопните в ладоши в гостиной, в которой через два дня начнут делать ремонт. А потом сравните, какой звук станет в том же помещении, когда из него вынесут мебель... Согласитесь, кардинально разное «послезвучание»! Именно оно - называемое по-научному реверберацией - и является тем «довеском», который подмешивается к звуку любой АС (конечно, если она установлена не в чистом поле). Контрапертурная «акустика», в силу своей конструкции, дает очень внушительный реверберационный «довесок» - по оценкам производителя, до 80% звуковой информации, воспроизводимой такими АС, приходит к слушателю в отраженном виде. И только 20% - непосредственно от динамиков. К слову сказать, большинство звуков, которые мы слышим в повседневной жизни, исходит именно от ненаправленных источников - и это естественно.

Скептик возразит: "Как же так, ведь контрапертурная "акустика" искажает музыкальную информацию, заложенную в записи!" Действительно, в любой хорошей записи - скажем, симфонического оркестра (не говоря уж об электронной музыке) - уже присутствует «своя» реверберация , вызванная отражениями звука от стен концертного зала. Или искусственно подмешанная ушлым звукорежиссером для пущей привлекательности. Значит, на эту исходную реверберацию из-за ненаправленного излучения контрапертурной АС накладывается еще и собственное «послезвучание» комнаты?Совершенно верно.

Но вот в чем штука: у ненаправленного источника характер прямых и переотраженных звуковых волн будет похож - в отличие от традиционных АС. Обычная колонка звучит «вперед» полноценно, «широкополосно», а уже под углом - глуховато, искаженно. В итоге прямой звук может быть сколь угодно ровным, но «глухие» переотражения его вконец испортят. По мнению многих авторитетных аудиоэкспертов, именно различие тембров прямой и отраженной звуковых волн АС является одним из важнейших факторов, оказывающих негативное влияние на качество звучания. Во всяком случае, результаты субъективных тестов «контрапертуры» заставляют поверить в замысел разработчиков. Звучание действительно покоряет! Можно сравнить это с визуальными ощущениями: как будто вместо яркого направленного света прожекторов (обычные АС), безжалостно высвечивающих все подробности, ты оказался под естественными лучами нашего родного светила. И уже неважно - видишь ты в подробностях свои шнурки или нет. Главное - что попадаешь в естественную среду обитания.

Эффект «ненаправленности» звуковых волн совершенно явственный: сидя перед парой контрапертурных АС, нипочем не угадаешь направление на колонки. Звучит как бы пространство между ними, причем эффект сохраняется даже если подходишь вплотную к колонкам или, наоборот, гуляешь по комнате. Скепсис тает на глазах: может быть, для кого-то это именно тот звук, к которому идешь всю жизнь. 04-04-2006

Довольно редкая тема архиредкого, экзотического типа акустических систем - известных как контрапертурные. Говоря откровенно, я смутно себе представлял, что это такое, зачем оно нужно и с чем его “едят”. Поэтому пришлось изрядно погуглить. Среди источников нашлись пара форумов, две научные статьи и один патент. Между тем, у меня есть желание охватить в этом цикле все существующие типы АС, и поэтому я решил не обходить эту бесспорно интересную тему стороной.

В Википедии и других источниках контрапертурные АС представляются как пример экономически и серийно необоснованных решений для пресловутого High End. Приверженцы контрапертурных АС считают их несправедливо забытой эволюционной ветвью звуковоспроизводящих устройств, позволяющих получить всенаправленное излучение и массу других замечательных эффектов невозможных при использовании другой архитектуры. Под катом подробно о контрапертурной акустике.

Как работает?

Сам термин “контрапертура” чаще используется в оптике, где обозначает соосно расположенные излучающие свет отверстия. В акустике смысл немного меняется, и вместо отверстий следует понимать громкоговорители.

Акустическое оформление в таких АС предполагает размещение двух идентичных динамиков (и тут величины, которыми можно пренебречь, становятся очень малы) строго друг напротив друга и их синфазное включение. Важно, чтобы излучатели не имели фазовых задержек и частотных отличий (это в разы увеличивает стоимость компонента). При соблюдении этих условий волны от противонаправленных динамических головок контрапертурной АС излучают результирующую волну со сферическим фронтом (т.е, фактически, представляют собой всенаправленный излучатель).

Эти принципы контрапертурного излучения были описаны в работе Л.В. Головкиной “Creation speakers in all sides direction in acoustics”. Там отмечалось, что можно определить оптимальное расстояние между соосно расположенными динамиками для появления эффекта всенаправленного излучения.

“Это расстояние определяется углом раскрыва диаграммы направленности головки и суммарным звуковым давлением, создаваемым на некотором расстоянии от головки при подведении определенной мощности.“ (Головкина)

Контрапертурная и полуапертурная АС 1, 2 – корпуса для широкополосных головок (3), отражающая пластина - 4.

Также известны т.н. полуапертурные АС, где вместо второго излучателя применяется специальная пластина. Принцип остаётся близким, с той лишь разницей, что эффект достигается с использованием отраженных волн.

Эксперты отмечают незначительные различия в результирующих волнах при использовании контрапертурного и полуапертурного излучения.

Результаты измерения АЧХ (полного контрапертурного излучателя: сплошная линия – 1 и полуапертурного: пунктирная линия – 2):

Зависимость усредненного уровня звукового давления излучателей от расстояния:

1. 1два контрапертурных излучателя;
2. две обычные системы (стереопара)
3. одна обычная акустическая система;
4. один полуапертурный излучатель;
5. два полуапертурных излучателя;
6. один контрапертурный излучатель.

Сходство было подтверждено в работе Головкиной Л.В., Умярова Р.Я. “Исследование контрапертурных излучателей в акустике ”, которые были проведены в Харьковском национальном университете радиоэлектроники.

Зачем и как это используют?

В отличии от многих нерациональных, бессмысленных, коммерчески спекулятивных решений в High End, применение контрапертурного излучения имеет как физическое, так и психоакустическое обоснование. Описаны эффекты, сказывающиеся на верности воспроизведения.

Диаграмма направленности

При взаимодействии волн соосно расположенных динамиков звуковое давление создаётся в воздушном “столбе” между ними. Возникает т.н. “монополь давления” или точка всенаправленного излучения. Таким образом расширяются вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности.

Логично, что при использовании всенаправленного излучения зона комфортного прослушивания увеличивается. Соответственно, нет необходимости в поиске “вершины треугольника” для создания корректной стереопанорамы и правильного расположения КИЗ (кажущихся источников звука). Таким же образом решается проблема “дальней зоны”, в которой прослушивание становится более комфортным.

На форумах доводилось встречать аргументы из серии: “Таким образом увеличится количество отражений, звук станет кашей и диаграмма направленности будет не нужна!”

Хочу отметить, что отражения бесспорно будут, как и при использовании АС с классической архитектурой. Соответственно, без акустической обработки помещения обойтись будет нельзя. При этом у классических АС отражений никак не меньше, просто они неравномерны и точно также требуют соответствующих решений в отделке стен и т.п.

Немного о доплеровской интермодуляции

Практически все, кому доводится писать о контрапертурной акустике, упоминают о допплеровской интермодуляции. На сайте “Основы акустики ” этому термину дано следующее определение: “Фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука”.

Если упрощенно, то причиной этих искажений является изменение расстояния от мембраны громкоговорителя до слушателя. Любой драйвер с электромеханическим принципом излучения (динамик, изо (орто)динамик, электростат и т.п.) не избавлен от этого недостатка при классической архитектуре системы.

Считается, что высокая чувствительность слуха к доплеровской интермодуляции обусловлена нейропсихологически. На ней основан механизм определения расстояния до тех или иных объектов с помощью слуха. Такая способность слуха развивалась эволюционно как индикатор вероятной опасности (движущегося объекта). По этой причине даже незначительные изменения расстояния от мембраны динамика до уха могут восприниматься на слух, создавая эффект естественного фленжера (приближающийся/удаляющийся поезд).

В случае с контрапертурными излучателями источник излучения (“монополь давления”) является статичным, и не перемещается, соответственно, и эффект флэнжера доплеровской интермодуляции не возникает.

Гипотеза психоакустического комфорта

Ряд авторов отмечают “высокую естественность” и “субъективный психологический комфорт” от музыки, воспроизведенной через контрапертурную акустику. Утверждается, что причиной этих эффектов является отсутствие описанного выше изменения расстояния.

Иными словами, постоянно движущийся взад-вперед объект воспринимается мозгом как более опасный (на уровне базовых рефлекторных реакций), а неподвижный - как менее опасный. Такие суждения остаются гипотетическими и пока не нашли экспериментального подтверждения, но популярны как среди меломанов, так и среди исследователей психоакустики.

Сухой остаток: достоинства и недостатки

Итак, достоинства:

1. Всенаправленность излучения.
2. Круговая горизонтальная и широкая вертикальная диаграммы направленности.
3. Отсутствие доплеровской интермодуляции.
4. Гипотетический рефлекторный комфорт (не подтвержден).

Специфическими недостатками контрапертурных АС считают:

1. Сложности с точным соосным размещением динамиков.
2. Отсутствие экспериментальных данных по базовым характеристикам многополосных контрапертурных АС.
3. Усложнение конструкции АС, особенно в случае использования многополосной схемы и, соответственно, снижение технологичности.
4. Подбор пар громкоговорителей со строго идентичными частотными характеристиками.
5. Снижение допустимой технологической погрешности при монтаже излучателей и отражателей.
6. Увеличение себестоимости (необходимость в использовании дополнительных громкоговорителей и отражателей).

И как следствие всего перечисленного выше - астрономическая цена.

Эти недостатки сделали контапертурную акустику, пожалуй, самым непопулярным типом АС для массового производителя. Кроме того, как и для любой другой акустической системы, для контрапертурных моделей характерны такие распространенные проблемы, как резонансы корпуса, кривая АЧХ, THD, IMD, проблемные фильтры, которые “крутят фазу” и пр.

Итог

Самым заметным и наиболее ценным эффектом контрапертурных АС является расширение “зоны комфорта” при прослушивании, за счет круговой диаграммы направленности. Доплеровская интермодуляция и гипотетический психоакустический комфорт - это очень красивые, но мало убедительные аргументы в пользу таких АС.

Как мне представляется - это одни из наименее заметных проблем, которые могут существовать в акустических системах. По моему опыту, эффект фленджера становится по-настоящему существенным при расстояниях от нескольких метров (приближающийся поезд), что вряд ли сравнимо с колебаниями мембраны динамического громкоговорителя. А гипотетическая опасность движущихся объектов, полагаю, спорный теоретический аргумент.

Справедливости ради хочу отметить, что немало людей не разделяют мою точку зрения и утверждают, что доплеровская интермодуляция серьезно портит звук. Слепых тестов, ввиду редкости такой акустики, проводить и наблюдать не приходилось. Если у читателей есть сведения по поводу заметности этих эффектов и “уникальном комфорте“ при прослушивании контрапертурных колонок - буду признателен за Комменты.

При всей первоначальной привлекательности идеи, всё портит конечная стоимость продукта, которая увеличивается ещё и в связи с тем, что сам продукт - экзотическая редкость. На современном рынке аудио мне известно 2 серийных производителя.

Всем привет.

Закончил проект экспериментальных акустических систем, компоновка контрапертура (омниполярные), то есть все направленные. Итак задача была следующей:

1. полочная акустика

2. двухполоска

3. широкополосный динамик 8 дюймов + вч динамик

4. контрапертура

5. внешний вид - стимпанк

6. объёмное звучание

7. желательно ровное АЧХ, но не обязательно на данном этапе

8. чтобы помещалась на стойке

В итоге в интернете ни чего не нашёл хотя бы близко похожее на заявленные параметры, что не удивительно. Уж очень не обычные требования. Пришлось придумывать свою конструкцию, разделять один объём на две части и соединять их каналом (трансмиссионная линия) а более точную настройку производить фазоинвертором во втором объёме, между ними отражатель для СНЧ-ВЧ. Широкополосной динамик 8 дюймов выбрал Асалаб (как оказалось не самый лучший вариант) Ш-2000. Вч-динамик VISATON G20SC (шикарный динамик, ну не худший это точно) до 20 кГц играет спокойно и судя по графикам и до 30кГц доходит. В качестве фильтра только один конденсатор на вч-динамик. Скажу сразу получилось реализовать не все задумки, но обо всём по порядку.

Распускаю материал погружной пилой.

Монтирую заготовки в сборки и подготавливаю к склейке.

Произвожу склейку сборки в готовый корпус.

Фрезерую детали для туннеля.

Склеиваю туннель в единую конструкцию.

Перехожу к склейке цилиндра, он создаёт дополнительный объём и выполняет декоративные функции.

Оклеиваю шпонам «Американского ореха» корпуса.

Детали корпусов готовы к сборке.

Собираем всё до конца и смотрим на результат.

По результатам измерений становится ясно, что АЧХ далека от идеала, что подтвердило прослушивание.

1 Провал на середине обусловлен не развитым отражателем и дефектами широкополосного динамика Асалаб. В целом приводит к окраске в звучании.

2 Подъем на 600 герц по тем же причинам, переделка динамика и отражателя скорей всего исправит данную ситуацию. Окраска тоже имеется.

3 Не равномерность АЧХ в низко частотном диапазоне исправима за счет более точного настройки фазоинвертора и переделки канала, связывающий два корпуса.

4 Объёмность звучания в не конкуренции, локальность образа в стерео панораме сильно зависит от расположения акустических систем относительно стен. Чем дальше тем лучше.

5 Звуковое давление сильно падает с ростом расстояния от колонок до слушателя, колонки ближнего поля. Зона комфортного прослушивания начинается прямо от колонок и далее.

6 Объективные замеры показали спад на высоких частотах, но субъективно спада не ощущается. Видимо наши уши воспринимают окружающее звучание в том числе от стен, а микрофон фиксирует направленное излучение. Из за не эффективного отражения на прямой оси происходит спад на вч. На ощущения ни как не влияет. Во общем можно сказать так, если бы не окраска звука в районе 600 и 2500 герц звучание можно назвать большим и детальным. Но звук от таких систем сильно зависит от помещения. Объёмность и натуральность звука гарантирована в любом случае, расстояние от стен влияет только на локализацию образов в пространстве.

Итог: Потенциал системы весьма высокий, но доработок тоже много. Но это будет реализовано уже в других проектах. Забегая в перёд скажу, что широкополосный динамик я уже переделал, результат обнадёживает, хоть и всех недостатков убрать не удалось. Но об этом в следующий раз.