Акустическая аппаратура для озвучения

Часть 5. Акустические контрольные агрегаты

И.А. Алдошина

Примечание. Начало см. Install Pro, 2003, №2, 3, 5 (21, 22, 24), 2004, №1 (26)

В предыдущих статьях были рассмотрены такие широко используемые в звукоусилительной технике виды акустической аппаратуры, как рупорные громкоговорители, звуковые колонки, мощные акустические блоки и др.
Однако создание систем озвучения и звукоусиления невозможно без использования специальных устройств, получивших название «акустические контрольные агрегаты». Они необходимы звукорежиссеру при микшировании сигналов, для контроля качества исполнения на сцене, для развития техники звукозаписи и т.д.
Акустические контрольные агрегаты (акустические мониторы) появились и развивались одновременно с возникновением студий звукозаписи, становлением звукового кинематографа и созданием систем озвучения и звукоусиления, т.е. примерно с 30-х г. ХХ в. В настоящее время они выпускаются в различных модификациях в зависимости от назначения.
Начнем с анализа особенностей конструкции и параметров контрольных агрегатов, используемых звукорежиссерами при микшировании (в процессе звукозаписи или управления системами звукоусиления), поскольку к этим агрегатам предъяляются самые высокие требования. В дальнейшем рассмотрим контрольные агрегаты для сцены и др.
По определению стандарта ОИРТ ТК55/1: «студийный контрольный агрегат – это высококачественное акустическое устройство, предназначенное для контроля технического и художественного качества записей».
Студийный контрольный агрегат (КА) обычно представляет собой многополосную акустическую систему, состоящую из нескольких головок громкоговорителей, фильтрующе-корректирующих цепей (пассивных или активных), корпуса и усилителей (рис.1).
В случае, если используется один усилитель с последующей фильтрацией сигнала на каждую полосу частот, контрольный агрегат называется пассивным. Если на каждую полосу воспроизведения используются свой усилитель и фильтр (который в этом случае называется кроссовером и стоит до усилителя), то агрегат называется активным.
Студийный контрольный агрегат является основным инструментом звукорежиссера, с помощью которого он решает следующие основные задачи:
• контролирует степень соответствия записываемого им звука естественному звучанию, если идет запись солистов, ансамблей или оркестра в студии либо концертном зале;
• контролирует степень соответствия создаваемого им звучания желаемому звуковому образу, если речь идет о создании электронной музыки или управлении системами звукоусиления;
• проверяет техническое качество записей (отсутствие искажений, баланс, тембр, динамику и пр.).
Студийный монитор – это своего рода «технический переводчик» электрических сигналов от микрофонов, микшерского пульта и других устройств в слышимый звуковой образ.
Принципиальное отличие студийных акустических агрегатов от домашних акустических систем заключается прежде всего в том, что он является контрольным, т.е. измерительным устройством.
В связи с этим к ним предъявляются особые требования, к числу основных можно отнести следующие:
• «неокрашенность» звучания, естественность, максимальная близость к живому источнику. Практически реализуемой задачей является обеспечение в контрольных агрегатах таких уровней линейных и нелинейных искажений, которые бы находились ниже порогов слышимости, что в ряде лучших конструкций ведущих фирм, например Tannoy, KEF и др., удается реализовать;
• «верность» воспроизведения низких частот, которые должны быть чистыми, хорошо сбалансированными, «сухими», т.е. с малым уровнем переходных искажений и т. д. Для контрольного агрегата чистота «басов» важнее, чем наличие «супернизких частот» в спектре воспроизведения;
• чистота и неокрашенность звучания в области средних частот, что особенно важно при записи певческих голосов. Многие бытовые АС не могут использоваться для контроля записи именно из-за наличия определенного окрашивания в этой области частот, где находятся высокие певческие форманты;
• воспроизведение реальных динамических диапазонов нструментов и оркестра, достигающих                   90 – 100 дБ, поскольку звуковой сигнал поступает на агрегат до динамической компрессии. Это выдвигает особые требования к качеству воспроизведения звука как с высокими, так и низкими уровнями громкости, а соответственно к уровню собственных шумов;
• правильность передачи точной формы импульсов, процесса «атаки» и спада звукового сигнала, что особенно важно для точного воспроизведения быстрых пассажей в музыке;
• создание определенной тенденции АЧХ с плавным спадом к высоким частотам, поскольку работа с агрегатом происходит на близком расстоянии в зоне «прямого» звука, высокие частоты воспринимаются неослабленными за счет затухания и реверберации, как это обычно бывает в бытовых системах;
• обеспечение достаточно широкой характеристики направленности в широком диапазоне частот и отсутствие ее резких скачков при переходе от среднечастотного к высокочастотному громкоговорителю, что эквивалентно требованию к плавному спаду частотной характеристики излучаемой акустической мощности. Несоблюдение этих требований чрезвычайно затрудняет работу звукорежиссера, так как при любом его перемещении от центральной оси исчезает ощущение высоких частот;
• обеспечение высокой надежности, во-первых, потому, что агрегаты иногда эсплуатируются до 24 ч в сутки на высоких уровнях (на студиях звукозаписи работа часто идет круглосуточно), во-вторых, статистическое распределение спектрального состава сигналов электронных музыкальных инструментов значительно отличается от классических за счет существенно более высокого уровня высокочастотных составляющих, что может приводить к выходу из строя высокочастотных громкоговорителей. Бытовые акустические системы не рассчитываются при проектировании на такие условия эксплуатации.
Поскольку контрольные студийные агрегаты, как и микрофоны, относятся к первичным звеньям тракта звукозаписи, то от их качества в значительной степени зависит качество фонограмм и последующего воспроизведения звукового сигнала как с помощью систем звукоусиления, так и с помощью звукозаписи.
В зависимости от вида записываемой музыки (классической, электронной и др.), от назначения и размеров студии (радиовещания, телевидения, звукозаписи, звукоусиления и т.д.), условий воспроизведения и другие контрольные агрегаты проектируются по-разному, поэтому в настоящее время выпускается большое разнообразие их конструкций.
Как правило, в современных студиях используются акустические мониторы ближнего и дальнего действия (рис. 2).
Основные элементы конструкции студийного контрольного агрегата показаны на рис. 1. Контрольный агрегат состоит из излучателей (головок громкоговорителей), каждый из которых (или несколько одновременно) работает в своем частотном диапазоне; корпуса, который может состоять как из нескольких отдельных корпусов (блоков), каждый для излучателей своего диапазона, так и представлять единую конструкцию; фильтрующе-корректирующих цепей, а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т. д.); звуковых кабелей и входных клемм; усилителей для активных агрегатов и кроссоверов (активных фильтров), в случае применения отдельных усилителей для каждой полосы частот. Этот набор элементов (количество головок громкоговорителей, использование активных или пассивных фильтров, формы и конструкции корпуса и т.д.) может варьироваться у различных контрольных агрегатов.
В качестве излучателей чаще всего бывают электродинамические громкоговорители, хотя есть контрольные агрегаты и с другими типами излучателей, например Quad использует электростатические излучатели, фирмы ESS и A.D.A.M. – излучатели Хейла и т.д. Устройство элетродинамического громкоговорителя показано на рис.3.
Громкоговоритель состоит из трех частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (подробнее можно ознакомиться в книге: И.А. Алдошина, «Электродинамические громкоговорители», изд-во «Радио», 1989).
Подвижная система включает в себя подвес (1), диафрагму (коническую или купольную) (2), центрирующую шайбу (3), пылезащитный колпачок (4), звуковую катушку (5). Последняя представляет собой цилиндрический каркас с намотанным в несколько слоев (обычно в два слоя) изолированным проводником. При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила F = BLI, где B – индукция в рабочем зазоре; L – длина проводника; I – сила тока. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Центрирующая шайба – это гофрированная мембрана, которая обеспечивает центровку звуковой катушки в зазоре, препятствует ее крутильным колебаниям, но позволяет ей совершать осевые колебания, поэтому центрирующая шайба должна обладать большой гибкостью в осевом направлении и малой – в радиальном и кольцевом. Подвес – кольцевая обычно гофрированная оболочка, позволяющая диафрагме совершать осевые колебания и предохраняющая ее от крутильных колебаний, т.е. она также должна обладать большой гибкостью в осевом направлении и малой – в кольцевом и радиальном. Диафрагма представляет собой упругую оболочку, форма которой может быть конической, сферической, плоской и др. Под действием механической силы со стороны звуковой катушки диафрагма совершает колебания, которые создают звуковые волны в окружающей среде. Пылезащитный колпачок – купольная или плоская пластинка, предохраняющая зазор магнитной цепи от попадания пыли и одновременно являющаяся ребром жесткости для диафрагмы. Гибкие выводы – проводники, соединяющие выводы звуковой катушки с присоединительными клеммами громкоговорителя. Магнитная цепь (рис. 4) выполняется обычно в трех вариантах: кольцевая с ферритовыми магнитами (а), керновая с литыми магнитами (б) и кольцевая с литыми магнитами (в). Элементами магнитной цепи являются: магнит в виде кольца или керна (1), верхний (2) и нижний (3) фланцы, стакан или скоба (4), керн (5), полюсный наконечник (6). Постоянный магнит создает постоянный магнитный поток, замкнутые силовые линии которого пересекают цилиндрический воздушный зазор между верхним фланцем и керном в радиальном направлении. Диффузородержатель (6) (см. рис. 3) служит для объединения магнитной цепи и подвижной системы и обеспечивает возможность закрепления громкоговорителя в корпусе АС, с которым он предназначен работать. Каждый из элементов подвижной системы и магнитной цепи оказывает свое влияние на выходные характеристики громкоговорителя и его качество звучания.
Средне- и высокочастотные громкоговорители чаще всего имеют несколько другую конструкцию (рис.5), диафрагма в них используется обычно купольной формы, применяется несколько отличная конструкция магнитной цепи и др.
Корпус контрольного агрегата выполняет многообразные функции. В области низких частот он блокирует эффект «короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхностей диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения. Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также механическое демпфирование громкоговорителей, что «сглаживает» резонансы и уменьшает неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и средних и высоких частот. Колебания стенок корпуса и дифракционные эффекты на краях вносят заметный вклад в увеличение линейных и нелинейных искажений и в качество звучания акустических систем. Именно поэтому вопросам проектирования корпусов (выбору конфигурации, материала стенок, вибродемпфирующих и виброизоляционных покрытий и т.д.) все фирмы-производители уделяют чрезвычайно большое внимание.
Наиболее распространенными типами низкочастотных оформлений, используемыми в конструкциях современных контрольных агрегатов, являются закрытый корпус (closed box, acoustical suspensions, sealed box), корпус с фазоинвертором (vented-box, ported-box, bass-reflection и др.) и его разновидности: лабиринт (labirinth), трансмиссионная линия (transmission-line), корпус с двойной камерой (bandpass systems), с пассивным радиатором (passive radiator, drone cone) и др.
Закрытый корпус (closed box, acoustical suspensions, sealed box) – принцип работы такого типа оформления (называемого также компрессионным) состоит в том, что там используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в восстанавливающую силу, приложенную к диафрагме (при этом отношение гибкости подвеса к гибкости воздуха должно быть не меньше чем 3 к 4). Поскольку воздух – среда линейная (при относительно малых уровнях звукового давления), это позволяет не только уменьшить объем корпуса, но также и нелинейные искажения. Низкочастотные громкоговорители для таких систем должны проектироваться особым образом (иметь большую гибкость подвеса, большую массу диафрагмы, особую конструкцию звуковой катушки и магнитной цепи для обеспечения больших смещений и т. д.). При правильно подобранных электромеханических параметрах ГГ и корпуса такого типа можно получить максимально гладкую форму AЧХ на низких частотах и обеспечить чистое, сухое звучание басов. Именно поэтому многие ведущие фирмы при создании контрольных агрегатов применяют корпуса закрытого типа.
Корпус с фазоинвертором (vented-box, ported-box, bass-reflection и др.) имеет отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора (рис. 6, а). Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и гибкостью воздуха в корпусе.
Наличие небольшого отверстия не нарушает компрессионного принципа работы громкоговорителя в корпусе, но дает возможность значительно увеличить уровень звукового давления на частоте резонанса, уменьшить уровень нелинейных искажений, значительно расширить возможности настройки параметров КА. Следует отметить, что наличие фазоинвертора требует значительно большего искусства при проектировании, так как неточная настройка приводит к появлению переходных искажений («затянутых басов»).
В современных моделях акустических контрольных агрегатов используется достаточно много разновидностей фазоинверсных систем:
• корпус, использующий специальную трубу, нагруженную на отверстие (ducted port enclosures) (рис. 6, б), позволяет уменьшить размеры корпуса и с помощью регулировки размеров трубы улучшить настройку фазоинвертора;
• корпус с пассивным излучателем (passive radiator) (рис. 6, в), в отверстие которого устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус. Регулируя массу и гибкость такого громкоговорителя, можно получать такой же эффект, как и при настройке фазоинвертора;
• лабиринт (labyrinth) представляет собой вариант низкочастотного корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки, создающие своего рода лабиринт для потока воздуха (рис. 6, г). Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Лабиринт обычно имеет серию резонансных пиков на гармониках, соответствующих основной резонансной частоте трубы. Они демпфируются размещением специальных звукопоглощающих материалов на стенках корпуса. Трансмиссионная линия (transmission line) – это разновидность лабиринта, отличающаяся от него тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса и поперечное сечение линии делается переменным: больше – у конуса, меньше – у отверстия (рис. 6, д).
• фазоинверсное оформление с двойной камерой (double-chamber) или с несколькими камерами (multi-chamber port) (рис. 6, е) позволяет обеспечить согласование нагрузки с низкочастотным громкоговорителем в значительно более широком диапазоне частот;
• оформления типа полосовых фильтров (band-pass systems) – это также разновидность фазоинверсных систем, в которых ГГ установлен внутри закрытого корпуса и излучает звук не прямо в окружающую среду, а через корпус с фазоинверсным отверстием (рис. 6, ж) или пассивным излучателем (рис. 6, з) (о них уже была информация в предыдущей статье). Применение таких систем позволяет регулировать спад АЧХ не только в сторону низких частот, но и в сторону высоких (т.е. действует подобно полосовому фильтру). Такого типа оформления часто используются для создания субвуферов в современных комплектах контрольных агрегатов для систем 5.1.
Методы расчета основных видов низкочастотных оформлений (корпусов) достаточно подробно разработаны на основе теории Small-Thiele и практически полностью переведены на компьютерные методы. Некоторую информацию можно найти в Internet по адресам:

http://users.pandora.be/educypedia/electronics/loudspeakers.htm и http://www.howstuffworks.com/speaker.htm.

Фильтрующе-корректирующие цепи: все современные высококачественные контрольные акустические агрегаты являются многополосными, поэтому приходится практически во всех использовать электрические разделительные фильтры, основная задача которых – ослабление электрического сигнала за пределами рабочей полосы частот громкоговорителей. Развитие техники конструирования и особенно возможности компьютерного моделирования изменили требования к проектированию фильтров и выдвинули новые задачи коррекции электроакустических характеристик КА, такие как симметризация характеристик направленности, обеспечение заданной неравномерности АЧХ, снижение уровня фазовых искажений и т. д.
Начальным этапом в проектировании фильтров является выбор частот раздела между громкоговорителями. При выборе частот раздела обычно используются следующие соображения:
• обеспечение возможно более равномерных характеристик направленности, т.е. отсутствия «скачков» ширины диаграммы направленности при переходе от низкочастотного к среднечастотному и от среднечастотного к высокочастотному громкоговорителю, поскольку в той области частот, где они работают вместе, при отсутствии фильтра диаграмма направленности резко сужается за счет расширения площади излучения. По этой же причине (сохранения плавного изменения ширины характеристики направленности) громкоговорители стараются размещать как можно ближе друг к другу и располагать их друг над другом в вертикальной плоскости;
• обеспечение работы громкоговорителя в основном в области поршневых колебаний диафрагмы и значительного ослабления уровня амплитудно-частотной характеристики за ее пределами (с целью снижения уровня пиков и провалов на АЧХ ниже порогов слышимости, т.е. примерно на 20 дБ ниже уровня среднего звукового давления АС);
• ограничение амплитуды смещения подвижных систем средне- и высокочастотных громкоговорителей в низкочастотной части излучаемого ими спектра и соответственно подводимой мощности до значений, определяемых их механической и тепловой прочностью, что повышает надежность их работы;
• обеспечение требуемого уровня звукового давления, например повышение частоты среза, позволяет увеличить уровень подаваемого напряжения на высокочастотный громкоговоритель, что дает возможность увеличить соответственно и уровень звукового давления в высокочастотной части АЧХ;
• снижение уровня нелинейных искажений, в частности, за счет эффекта Допплера, возникающего в многополосных КА за счет модуляции высокочастотных составляющих низкочастотными компонентами сигнала.
Как правило, частоты среза в современных трехполосных КА находятся в пределах 500 – 1000 Гц и         2 – 5 кГц. В студийных акустических контрольных агрегатах используются как «пассивные» (т.е. фильтры, включенные между усилителем и громкоговорителем), так и «активные» фильтры.
По сравнению с «пассивными», «активные» фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т. д. Однако «пассивные» фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к изменению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и          т. д.), к разбросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы некоторые зарубежные фирмы начали применять в КА цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.
Из «пассивных» фильтров чаще всего используются фильтры «всепропускающего типа» (all-pass band), которые удовлетворяют одновременно нескольким требованиям: обеспечивают плоскую АЧХ по напряжению, симметричную характеристику направленности, низкую чувствительность к изменению элементов; применяются также «минимально фазовые фильтры» и др.
Методика расчета фильтрующе-корректирующих цепей для многополосных КА приведена в книге:      И.А. Алдошина, А.Г. Войшвилло, «Высококачественные акустические системы и излучатели», изд-во «Радио и Связь», 1985. Программы для расчета фильтров различных порядков можно найти в Internet по адресу http://users.pandora.be/educypedia/electronics/loudspeakers.htm.
Основные параметры фильтра: крутизна спада (порядок фильтра), резонансная частота, добротность на резонансе. В зависимости от математической структуры их передаточной функции (которая обычно описывается в виде отношения полиномов) фильтры называются Баттерворта (Butterworth) (добротность      Q = 0,7071), Линквица-Риле (Linkwhz-Riley) (Q = 0,49), Бесселя (Bessel) (Q = 0,58) и др. В современных КА чаще всего применяются фильтры второго, третьего и четвертого порядков, обеспечивающие крутизну спада в полосах среза 12, 18 и 24 дБ/окт. Пример полной схемы фильтра для трехполосного КА показан на      рис. 7. Ведущие фирмы используют оптимизацию схем фильтров с помощью компьютерного моделирования, что позволяет добиться существенного снижения уровня фазовых искажений, симметризации характеристик направленности и уменьшения неравномерности суммарной АЧХ.
Электроакустические параметры и особенности конструкции современных контрольных агрегатов ведущих зарубежных фирм будут рассмотрены в следующих статьях.