Акустические системы

Классификация акустических систем

По области использования акустические системы делятся на: бытовые, студийные, концертные, инструментальные и др. По положению в пространстве акустические системы бывают: напольные, настенные, потолочные. Кроме этого акустические системы могут различаться по мощности, сопротивлению, форме корпуса и др.

По рабочему частотному диапазону акустические системы делятся на широкополосные акустические системы и сабвуферы. Широкополосные акустические системы используются для воспроизведения частот от 40-60 Гц до 20 кГц, а сабвуферы – для воспроизведения только низкочастотного диапазона (НЧ) – от 30 до 70..500 Гц.)

Широкополосные акустические системы

Поскольку воспроизведение низких и высоких частот имеет свои особенности, то для качественного и эффективного воспроизведения широкополосного сигнала используются либо 2-х, либо 3-х полосные акустические системы.

Рис. 1. Двухполосная пассивная акустическая система.

В двухполосной акустической системе используется: один динамик - вуфер (12 или 15 дюймов) для воспроизведения низких частот, и один динамик для воспроизведения высоких частот – драйвер (динамик для воспроизведения СЧ и ВЧ)  или твитер (динамик для воспроизведения ВЧ). Для того чтобы динамики воспроизводили свой диапазон частот, в акустических системах используются кроссоверы, которые пропускают для каждого динамика нужную полосу частот (а все остальное ослабляют). В двухполосной системе нужно на НЧ-динамик подать НЧ-сигнал, а на ВЧ-динамик – ВЧ-сигнал. Частота разделения при использовании драйвера находится в районе 1,5 кГц, твитера – несколько выше (порядка 7 кГц). Все, что находится ниже частоты разделения, воспроизводится НЧ-динамиком, а все, что выше, ВЧ-динамиком.

Рис. 2. Пассивные широкополосные акустические системы. Выглядят одинаково, а звучат по-разному.

Часто в двухполосных акустических системах можно увидеть 2 динамика 12 или 15 дюймов. Если при этом низкочастотный сигнал разделяется встроенным кроссовером на две части так, что верхний динамик (вуфер) работает с верхней частью низкочастотного диапазона, а нижний только с нижней частью низкочастотного диапазона, то такая акустическая система называется "квази трехполосная". Это позволяет отказаться от использования отдельного сабвуфера, что упрощает процесс инсталляции звукового оборудования.

В трехполосной акустической системе используются 3 динамика: для воспроизведения НЧ, СЧ и ВЧ соответственно. В общем случае амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), которая является теоретическим показателем правильности воспроизведения звука, 3-х полосной акустической системы лучше АЧХ 2-х полосной акустической системы. Но в любом случае при выборе акустических систем их нужно слушать.

Выбирать 3-х полосную систему следует в том случае, когда требуется получить разборчивость звука (при хорошей акустике помещения). Но 3-х полосная система стоит дороже, да и во многих случаях достаточно 2-х полос.

При выборе акустической системы следует учесть, что в широкополосной системе с драйвером (НЧ+СЧ/ВЧ) в звуке будет достаточно плотная середина, а в системе с твитером  (НЧ/СЧ+ВЧ) наоборот, середины будет мало. С практической стороны наличие плотной СЧ лучше, чем ее отсутствие, поскольку тогда можно частично компенсировать недостаточный уровень громкости НЧ, но получить хороший уровень общей громкости. Часто такая ситуации происходит на любительских школьных и др.) дискотеках, когда мощности в области НЧ не хватает, поэтому выкручивают средние частоты до упора, чтобы на танцполе хотя бы середина была. Поэтому стоит выбирать 2-х полосную акустическую систему с драйвером, что позволит получить яркие средние частоты - мощный вокал, плотный звук ритм-гитары и др.

Сабвуфер

Сабвуфер - акустическая система, которая состоит из одного или нескольких низкочастотных динамиков (размером 15, 18 и более дюймов). Они используется там, где требуется получить мощный низкочастотный сигнал, например, дискотека: поскольку порядка 80% мощности сосредоточено в НЧ диапазоне до 300-500 Гц, то для усиления сигнала в этом диапазоне эффективнее использовать активный или пассивный сабвуфер, а всё остальное (от 300-500 Гц до 20 кГц) усиливать с помощью широкополосной системы,  в 2-3 раза меньшей мощности по сравнению с мощностью сабвуфера. Применение сабвуфера усложняет настройку звуковой системы, но позволяет получить больший эффект при воспроизведении широкополосного сигнала в этом случае.

В верхней части сабвуфера часто имеется "стакан" для установки штатива, на который устанавливается сателлит - СЧ/ВЧ-акустическая система. Хотя чаще сателлиты устанавливаются на штативах-треногах, что позволяет устранить их связь с сабвуфером (привязка к месту расположения, вибрация).

Рис. 3. Пассивный сабвуфер.

Параметры акустических систем

Эффективный рабочий диапазон частот. Это диапазон частот, в пределах которого уровень звукового давления находится не ниже некоторой заданной величины.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это параметр показывает, насколько равномерно по амплитуде воспроизводятся различные частоты сигнала. Идеальная АЧХ – прямая линия, но на практике АЧХ имеет много пиков и провалов, связанных c не идеальностью электрических компонентов (динамиков, фильтров в акустической системе, наличию обратной связи и др.) и не идеальностью акустических свойств корпуса акустических систем (вибрация, резонансы, взаимодействие диффузоров динамиков с воздушной средой и др.). Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением величины максимального звукового давления к  величине минимального звукового давления и выражается в дБ (децибел). В лучших акустических системах Hi-Fi в диапазоне 100-8000 Гц достигается неравномерность АЧХ порядка ±2 дБ, неравномерность порядка 10-15 дБ и более говорит о том, что звучание такой акустической системы будет весьма отдаленно напоминать реальный звук. В середине рабочего диапазона неравномерность АЧХ меньше, чем на краях. Малое значение неравномерности АЧХ для диапазона 100-8000 Гц еще не говорит о том, что мы имеем дело с хорошей акустической системой. В любом случае ее нужно слушать.

Характеристика направленности. Позволяет оценить уровень звукового давления в зависимости от угла поворота акустической системы вокруг своей рабочей оси и представляется в виде диаграммы направленности. Этот позволяет выбрать акустической системы в пространстве для более эффективного озвучивания. На практике это означает, что наибольшее звуковое давление будет ощущаться в пределах некоторого телесного угла, поэтому, например, для увеличения уровня громкости сателлиты (СЧ/ВЧ-акустические системы) устанавливаются на штативах.

Чувствительность. Чувствительность – уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем на расстоянии 1 метра от акустической системы при подаче на нее электрического сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется в дБ (1Вт/1м). Чем выше чувствительность акустической системы, тем большую громкость можно получить при одинаковом уровне подводимой мощности. Значение чувствительности определяет динамический диапазон акустической системы, т.е. ее способность воспроизводить звуки разной громкости (смотрите далее).

Коэффициент нелинейных искажений. Определяет степень искажения исходного сигнала по причине появления в нем дополнительных спектральных составляющих (на это влияют длина, материал и сечение проводов от усилителя к акустической системе, фильтры и динамики в акустической системе, наводки и др.). Акустическая система вносит максимальные искажения (от 1 до 10% и выше) в звуковой тракт, поэтому в большинстве случаев качество звука будет определяться именно акустической системой, а не усилителем мощности (которые имеют коэффициент нелинейных искажений десятые и сотые доли процента).

Мощность. Этот параметр определяет уровень звукового давления и динамический диапазон. Небольшой динамический диапазон сокращает разницу между различными уровнями громкости, которые, например, свойственны симфонической и тяжелой музыке (когда внезапно должны быть исполнены очень громкие звуки), поэтому эффект воспроизведения очень громких звуков будет потерян. В популярной и электронной музыке уровни громкости, как правило, находятся в каком-то небольшом диапазоне, поэтому здесь чаще оперируют не динамическим диапазоном, а мощностью и уровнем звукового давления. Очень часто мощность отождествляют с громкостью акустической системы, но это не так. Громкость определяется чувствительностью акустической системы и является акустическим параметром, который воспринимается органом слуха человека, а мощность – электрический параметр, который, в конечном счете, определяет, какую подводимую мощность может выдержать данная акустическая система. Мощность, как известно, связана с силой тока. Поэтому увеличение подводимой к акустической системе мощности увеличивает ток, протекающий в проводе катушке динамика, отчего происходит его нагрев. Понятно, что при подаче на акустическую систему мощности (увеличение громкости на усилителе) выше максимальной обмотка катушки динамика через какое-то время перегреется и сгорит (замкнет). Для исключения этого акустические системы снабжаются схемой защиты от превышения уровня сигнала и теплоотводами для мощных катушек низкочастотных динамиков.

На практике чаще всего оперируют номинальной мощностью (RMS), на которой акустическая система может работать долго без каких-либо последствий. Иногда на музыкальных центрах и др. рисуют PMPO (полная пиковая мощность) – 200 и даже 1000 Wt! На это не стоит обращать никакого внимания, поскольку это исключительно рекламный ход многих производителей. Как известно, КПД усилителя мощности – 60-70%, т.е. чтобы получить 1000 Вт, устройство должно потреблять 1,5 кВт электроэнергии, вместо 30-50 Вт, которые реально потребляют домашние музыкальные центры, кинотеатры, аудиомагнитолы и др., да и акустическая система мощностью 500 Вт – не пластмассовый корпус 20x20x20 см, а тяжелая и объемная конструкция (более 30-40 кг и размером 100x50x50 см).

Сопротивление. Полное электрическое сопротивление акустической системы. Сопротивление имеет стандартизированные значения – 4, 8 и 16 Ом. Этот параметр непосредственно влияет на выбор усилителя мощности. При этом необходимо, чтобы сопротивление акустической системы было равно или больше (но не меньше!) выходного сопротивления усилителя мощности. Что произойдет, если сопротивление акустической системы меньше выходного сопротивления усилителя? Усилитель мощности по определению – сильноточное устройство. В отличие от маломощных (слаботочных) устройств, где запас по основным параметрам – сила тока, мощность рассеивания и др. может быть многократным (4-5 раз) такой запас по мощности обеспечить в усилителях мощности невозможно, поскольку, чем больше мощность, тем дороже по цене элементы и тогда стоимость усилителя при заложенном запасе 4-5 раз будет крайне высокой (порядка 200 тыс. руб. против 20 тыс. руб.). По этой причине запас по основным параметрам в усилителях мощности относительно невысок, и его мощный выходной каскад  рассчитан на работу с определенными токами, мощностью рассеивания и, соответственно, определенной нагрузкой, например, 8 Ом. Как известно, мощность рассчитывается по формуле P=U*U/R. Поворот регулятора громкости на усилителе (увеличение громкости) равносильно увеличению выходного напряжения. При сопротивлении нагрузки 8 Ом при максимальном уровне громкости получается некоторое напряжение сигнала, предположим - 20 В. Значит, мощность P=20*20/8=50Вт. Если же уменьшить сопротивление нагрузки в 2 раза - до 4 Ом, то при максимальном уровне громкости получится мощность P=20*20/4=100Вт - мощность (и соответственно ток) увеличились в 2 раза! Поэтому, либо сработает система защиты в усилителе мощности, либо что-то сгорит (силовой блок питания, выходной каскад и др.). Поэтому, если сопротивление акустической системы меньше выходного сопротивления усилителя, необходимо последовательно соединить несколько акустических систем так, чтобы общее сопротивление нагрузки было равно или больше выходного сопротивления усилителя мощности. Мы рассмотрели идеальный случай, но на практике нагрузка усилителя – некоторая комплексная величина, которая зависит от частоты сигнала, его уровня, состояния соединительных кабелей и мн. др. в результате чего сопротивление нагрузки может уменьшаться ниже номинального значения  выходного сопротивления усилителя мощности. Поэтому защита концертного усилителя от этого и других моментов – одна из важнейших задач при их разработке, поскольку это будет напрямую влиять на надежность его работы.

Если сопротивление акустической системы больше выходного сопротивления усилителя мощности, то последний не разовьет необходимую мощность для получения требуемого уровня громкости, но акустические системы будут работать в комфортном режиме.

Почти все концертные усилители могут работать в мостовом режиме (1 моноканал удвоенной мощности). При этом нужно уточнить выходное сопротивление усилителя в этом режиме, чтобы правильно согласовать с ним сопротивление акустической системы.

Акустические системы бывают активные и пассивные. Отличие между ними заключается в том, что в корпусе активной акустической системы расположен усилитель, тогда как в пассивной акустической системе он отсутствует, поэтому в последнем случае используется внешний усилитель мощности. Преимущество активной акустической системы в компактности (мобильности) и отсутствии лишней коммутации, но при выходе ее из строя происходит потеря двух устройств – усилителя и акустической системы. Кроме этого есть определенные сложности с наращиванием мощности в инсталляциях с активной акустикой.

Рис. 4. Активные акустические системы.

В самом простом случае активная звуковоспроизводящая система состоит из двух активных акустических систем, а пассивная звуковоспроизводящая система – усилитель + две пассивные акустические системы.

При выборе акустической системы нужно четко понимать, где и для чего она будет использоваться, потому что от этого будут зависеть не только их характеристики, но и форма корпуса, его исполнение и др.

Акустические системы могут использоваться на открытом воздухе или в помещении. Понятно, что в первом случае корпус акустической системы должен защищать устройства внутри нее от капель дождя, ветра, пыли и др. Во втором случае это не требуется.
По назначению акустические системы разделяются на порталы и мониторы. Порталы – основные акустические системы, предназначены для вывода звука в зал – для слушателей, а мониторы предназначены для контроля звука на сцене – для выступающих. Название “порталы” акустические системы получили благодаря их расположению по краям сцены у портальной арки. Для увеличения качества звучания в больших залах в качестве основной системы воспроизведения используются линейные массивы, поэтому понятие “порталы” скорее относится к случаю, когда в помещении используются две акустические системы, установленные (подвешенные) по краям сцены.

Выбор звукоусилительного комплекта

Выбор звукоусилительного комплекта происходит исходя из предполагаемого места его расположения и задач, которые он должен выполнять – озвучивание речи, концерта, дискотеки или многофункциональное использование. Это важно, поскольку стоимость звукоусилительного комплекта и его состав в общем случае будет различаться в каждом конкретном случае. Например, если для озвучивания речи или воспроизведения фонограмм в зале 100-150 кв. м достаточно будет какого-нибудь недорогого китайского звукоусилительного комплекта, например, Sound King 2x250 Вт за 16 тыс. руб. (который в лучшем случае звучит как 2x150Вт), то для озвучивания живого концерта или дискотеки в таком же зале данный комплект не подойдет никак. На выбор звукоусилительного комплекта будет также влиять геометрия и акустика помещения, поэтому здесь можно дать лишь какие-то общие рекомендации:

• 1 кВт (только акустические системы без усилителя) более или менее хорошего звука (акустические системы JBL) стоит порядка 1000 Евро против 600-700 Евро “нормального” звука.
• Сопротивление акустической системы должно совпадать с выходным сопротивлением усилителя мощности
• Желательно выбирать акустические системы с большим уровнем чувствительности, что позволит получить больший уровень громкости при той же мощности.
• Номинальная мощность акустической системы должна быть несколько выше номинальной мощности усилителя, чтобы она не вышла из строя. Если же используется маломощный усилитель, то часто возникает желание увеличить громкость, потому что ее действительно не хватает для озвучивания пространства. При этом маломощный усилитель работает на пределе своих возможностей, особенно в низкочастотном диапазоне, которые и приводят к выходу низкочастотных и высокочастотных динамиков из строя (из-за перегрузок усилителя на низких частотах происходит обрезание пиков сигнала, что равносильно появлению постоянной составляющей высокого уровня, при этом появляются мощные гармоники, мощность которых в 5-10 раз превышает мощность ВЧ-динамиков, отчего последние могут быстро сгореть.
• Очень часто продавцы посредственных акустических систем используют разные уловки для их продажи. Например, вместо номинальной мощности просто указывают “мощность” без пояснений, о чем идет речь, а ставят значение максимальной мощности. Теоретически они никого не обманывают, но неопытному человеку может показаться, что за 10 тыс. руб. можно приобрести широкополосную акустическую систему мощностью 600-900 Вт! Хотя на самом деле эти системы рассчитаны на 300-350 Вт, что часто можно легко проверить, зайдя на сайт их производителя.
• Уточните наличие технических характеристик в паспорте на усилитель и акустические системы. В некоторых случаях вместо паспорта прилагается бумажка, в которой не указан ни один параметр устройства, поэтому вместо “прекрасно звучащего усилительного комплекта суммарной мощностью 500 Вт и 15-дюймовыми динамиками”, можно легко стать владельцем комплекта с 12-дюймовыми динамиками, где и получение 100 Вт на канал будет большой удачей.
• Провода от усилителя к акустическим системам должны быть короткими и толстыми для уменьшения потери мощности и наводок.
• При выборе также следует обратить внимание на разъемы. В недорогих акустических системах часто используются пластмассовые разъемы типа “джек", с которым нужно обращаться очень аккуратно, поскольку даже малозаметная трещина может вызвать большие проблемы - плохой контакт, нагрев соединения, короткое замыкание и др., что отрицательно скажется на работе усилителя мощности, и может привести даже к срыву мероприятия, когда до (или в процессе) работы полностью отключается одна из акустических систем.

Александр Страшко
Вконтакте
29.11.08