Основы автозвука…(учимся, думаем) ч.2

Разделение динамиков по воспроизводимому диапазону (цифры ориентировочные):

Twitter – Твиттер, он же ВЧ-динамик. Обычно предназначен для воспроизведения частот от 4 до 20кГц.
Midrange – Мидрейндж, он же СЧ-динамик. Воспроизводит от 300 Гц до 5кГц в случае с конусным диффузором и от 700Гц до 8кГц, если диффузор купольный.
Midwoofer, Midbass – Мидвуфер, мидбас, он же НЧ динамик. Диапазон – от 60Гц до 4кГц.
Subwoofer – сабвуфер. Динамик для воспроизведения сверхнизкочастотного диапазона – от 20 до 80Гц.
Supertwitter – Супертвиттер. Свервысокочастотный динамик. Играет в диапазоне от 15кГц до 22кГц, а иногда и выше.
Full-Range – Широкополосник. В теории воспроизводит от 20 Гц, до 20 кГц. На самом деле все не так шоколадно, как хотелось бы.
Coaxial system – Коаксиальные акустические системы, состоящие из двух и более динамиков различных диапазонов, смонтированных, как одно целое.
Component system – Компонентные акустические системы – набор раздельных динамиков разных диапазонов и кроссовера для деления сигнала для них.
Акустическое короткое замыкание (КЗ) — Происходит, когда лицевая и тыльная стороны динамика сообщаются между собой и излучаемые волны определенных частот накладываются друг на друга, гася сами себя. Пример – взять в руки динамик и подать на него звуковой сигнал. Сколько мощности не добавляй сигналу, вплоть до убиения динамика, можно будет расслышать только средние частоты, с длиной волны примерно равной или меньшей радиуса диффузора.
Акустическое оформление – способ для избежания акустического КЗ и максимального использования возможности динамика воспроизводить звук в том диапазоне, на который он рассчитан.

Примеры акустического оформления:

Бесконечный экран – когда динамик установлен в плоскость такого размера, который исключает акустическое КЗ. Установка динамиков ФриЭйр (ФЭ) (например, в заднюю полку над багажником) как раз и является неким аналогом подобного оформления.
Закрытый ящик (ЗЯ) — Установка динамика в замкнутый объем диффузором наружу.
ФазоИнверторное оформление (ФИ) — Установка динамика диффузором наружу в колебательную систему, состоящую из ящика и порта, через который сообщается внутренний объем ящика и окружающее пространство.
БандПасс (БП) — Оформление, при котором динамик находится между двух ящиков, из которых как минимум, один – ФИ. С «внешним миром» динамик при этом общается только с помощью порта (или нескольких), поскольку стоит внутри ящика. Предназначено для воспроизведения полосы частот, ограниченных резонансной частотой одной камеры «снизу» АЧХ, а второй – «сверху».
Пассивный радиатор (ПР) — Когда пассивная колебательная система создается не портом, а подвижной мембраной, например, вторым динамиком, установленным в ящике, но не подключенным. Отдаленный аналог ФИ.
Пассивное акустическое сопротивление (ПАС) — «Полупрозрачная» для звука стенка ящика, установленная в месте, максимально исключающем акустическое КЗ. Используется для значительного «виртуального» увеличения объема ящика, намного больше, чем может дать заполнение.
Заполнение ящика — Оно и есть – заполнение ящика специальным материалом, например, акустической ватой или синтепоном для погашения резонансов и для виртуального увеличения объема. Первое для сабвуферов, например, практически некритично – слишком большая длина излучаемой волны, а второе – иногда весьма ценно, поскольку позволяет снизить объем ящика на 15-20%.

Параметры динамика, требуемые для расчета акустического оформления. В том числе — основные параметры Тиля/Смолла:

Fs — Собственная резонансная частота динамика, Гц.
Vas — Эквивалентный объем. Объем воздуха, имеющий эквивалентную упругость, что и подвес динамика. (л)
Qts — Полная добротность. Общее значение Q для динамика для значения частоты Fs допускает все электромагнитные и механические потери. При расчетах акустического оформления ориентируются на добротность от 0,5 до 0,577 (по Бесселю) или 0,707(по Баттерворту).

Некоторые программы требуют еще:

SPL — Для параметров громкоговорителя — номинальная чувствительность в dB, обычно принимается, как измеренная по оси на расстоянии 1 метр при подаче на громкоговоритель электрической мощности 1 Вт. Некоторые производители проверяют свои громкоговорители при фиксированном напряжении 2,83 В вместо 1 Вт.
Z — Номинальное электромагнитное сопротивление динамика, Ом.
Pe — Термически ограниченная максимальная электрическая мощность, с которой может оперировать громкоговоритель. Обычно представляет максимальную электрическую мощность, которая еще не приводит к перегоранию звуковой катушки. Вт.

Для расчета АС типа ФИ и БП потребуются дополнительные цифры:

Xmax — Максимальная или пиковая линейная амплитуда колебаний диффузора – ход катушки в одну сторону. (мм)
Sd — Площади движущейся части (поршня) громкоговорителя. То есть площадь диффузора и половина площади подвеса. (кв.см) Можно использовать и:
Dia — Диаметр поршня громкоговорителя. (см)

Электроника.

Head unit – Головное устройство (часто, просто — «голова», ГУ) – обобщенное название для всех источников сигнала и управления им – магнитофонов, приемников, магнитол, СД-ресиверов, мультимедийных проигрывателей с телесистемой и т.п.
Amplifier – Усилитель низкой частоты. Он и есть. Бывают встроенные в головное устройство и внешние, полупроводниковые и ламповые и т.п.
Equalizer – Эквалайзер – устройство для изменения АЧХ сигнала на электронном уровне. Простейший – темброблок в головном устройстве. Посложнее – параметрический эквалайзер или выносной многополосный графический эквалайзер.
DAC – ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь. Обязательный компонент всех головных устройств и чейнджеров, работающих с цифровыми форматами записи.
Crossover, X-over – кроссовер, устройство, предназначенное для разделения всего спектра сигнала на полосы, необходимые каждому типу динамиков.
Пассивный кроссовер – устройство, ставящееся между усилителем и динамиком. В простейшем случае – разделительный конденсатор.
Активный кроссовер – активное электронное устройство, ставящееся перед усилителем. Бывают внешние (отдельное устройство) и встроенные, например в головном устройстве или усилителе.
DSP – Digital sound processor. Звуковой процессор, позволяющий оперировать сигналом для «выравнивания» сцены и тонального баланса.
Сигнал низкого уровня – сигнал до усиления. Обычно его напряжение – от 0,2 до 4 В. Используется в межблочных каналах и устройствах обработки сигнала.
Сигнал высокого уровня – усиленный сигнал, подводимый к акустике.
Межблочные провода – используются для передачи сигнала низкого уровня с устройство на устройство, например, с головного устройства на усилитель. Обычно сдвоенный коаксиальный кабель, состоящий из одного/двух центральных проводов (в караудио — многожильных) одного и более экранов и нескольких слоев изоляции.
Акустические провода – используются для передачи сигнала высокого уровня с усилителя на динамики. Сечение зависит от используемой мощности и длины.
Силовые провода – используются для питания активных электронных устройств. Обычно с очень большим сечением. Почему? Обратите внимание на электросварочный аппарат. Сетевые провода – небольшого сечения, а низковольтные – огромного. Иначе сила тока их просто расплавит. К тому же потеря 2-3 В в системе с напряжением в 220 В – это немного, а в системе с питанием 12 В – очень большая величина. Чем тоньше провод, тем больше его сопротивление, тем больше потери.
Remote – Ремоут. Управляющий сигнал/провод. Используется для синхронного включения устройств. Например, головного устройства и усилителя.
Буферная емкость – Конденсатор очень большой емкости, используемый для сглаживания динамических нагрузок в цепи питания устройств. В силу огромной емкости и почти нулевого внутреннего сопротивления «пустого» конденсатора для защиты силовой проводки и аккумулятора часто снабжается системой управления зарядом и/или вольтметром.
Главный предохранитель – Отдельный предохранитель, номиналом, равным сумме номиналов предохранителей активных электронных устройств в системе. Если последние защищают устройства, то главный предохранитель – аккумулятор и систему питания.
Distributor – Дистрибьютор. Разветвитель для силовой проводки. Предназначен для надежного соединения проводов больших сечений.

Говаривал сторож зоопарка про апетит слона.

Немного о расчетах и цифрах.

Начнем с электропитания Таврии — ведь аппаратуру тоже нужно «кормить».

Не знаю, сколько ест подсветка салона, и панели, думаю, ватт 15-20. Фары 120, габариты — 30, тормоза — 40, «мыргалки» — 120Вт, дворнички — допустим, еще 40, вентиляция, опять же, неизвестно — 60. Итого 430+обогрев стекла, если таковой имеется — еще 100Вт. Система зажигания… ХЗ. Допустим, 200Вт. Противотуманки, люстры, синие пИсалки и офигенно необходимую подсветку днища не учитываем.

Итого пиковая нагрузка без учета аудиоаппаратуры Вт ночь/день:
Зимой ~700/500.
Летом — ~500/300. Т.е. 50/35А и 35/20А

Штатный аккумулятор 44 А/Ч, можно поставить 55 А/Ч обеспечивает (в среднем по сроку службы) запуск двигателя (стартер+зажигание) в течение почти получаса.

Штатные генераторы — двух видов. 55А и 65А. Т.е. поддерживают или 770 или 910Вт. Но на оборотах от 3000 и с идеально стабильной системой возбуждения и полного соответствия паспортным данным. Естественно, такие тепличные условия едва ли существуют, поэтому возьмем, ориентировочно, две трети (пусть поправит, если кто знает точнее, ХЗ, как этот генератор работает).

Получаем примерно 500 или 600Вт или 35/45А. Действительно, зимой система предельно нагружена и недозаряд более, чем возможен. Зимой/ночью/днем остается запас на аппаратуру у 55А — нет/нет/15А. У 65А, соответственно, нет/10/25А. Примерно 5А ест голова (типа 4х50Вт, ага! ). Остается от 5А до 15А в зависимости от типа генератора на подзарядку батареи и установку дополнительных усилителей. Поскольку народ Д-классом электрооборудование своей машины не балует, как я вижу, а все двух/трех/четырехканальники АБ-класса, то ток покоя у них не маленький и КПД поменьше, зато беспонтовые уси головы не используются (еще бы их отключить для пущей радости ). В общем, считаем, что в акустику «вылетает» с внешним усем 10-20А. Т.е. 150-300Вт максимум.

Итак, поскольку «на всю дурнИнушку» система врубается нечасто, даже с учетом КПД, максимально оправданная установка усилков на Таврию примерно такая — на фронт двухканальник 2х30(2х50)Вт, на саб — 100-150Вт, лучше, конечно Д-моноблок, тогда можно и 200. Для четырехканальника соответственно получается — 4х75Вт.
Имеется в виду, конечно, не СПЛ-ная система, а для себя, любимого и чтобы машину не насиловать .
Причем ночью зимой даже на небольшой громкости такой системы недозаряд практически неизбежен, летом — (опять же, на небольшой громкости) — маловероятен, зато даже если сделать погромче, то емкости 55А аккумулятора при работающем двигателе может вполне хватить на сутки, а с компенсационной системой повышения оборотов (если таковая имеется) — пока бензин не кончится . А на заглушенной машине — на несколько часов, чтобы остатков заряда аккумулятора хватило на 150-амперный разряд для запуска двигателя в течение полминуты-минуты.

В противном случае все не так сладко — полуторакиловаттная установка, например, даст минимум ту же нагрузку на электросистему даже если ее просто включить, но громкость выключить совсем.

Еще бы диаграмму работы генератора — внесло бы кое-какие коррективы, иначе расчеты очень приблизительны даже для пиковых режимов.

Нагрузка хоть рассчитывалась, как пиковая, но все же имеет право называться усредненной.
Во-первых, посчитать потери в полукилометровой мешанине проводов едва возможно точно,
во-вторых импульсные нагрузки поворотников и стоп-сигналов хоть и не постоянные, но из-за скачков напряжения на-а-амного больше номинала, потому он и усреднен, в-третьих, всякая мелюзга типа прикуривателя, обслуживания датчиков, клаксона и т.п тоже имеет место быть. И самое главное, чтобы двигатель заработал, его с начала завести надо, а эта такая встряска аккумулятору, от которой ему икаться может и не один час. Кроме этого, характеристика зарядки нелинейна. Пока машина работает на холостых, фары светят как обычно. Стоит поддать газкУ и они вспыхивают заметно ярче.

Вот все эти неучтенные нагрузки ориентировочно и добавлены к средней нагрузке при обычной эксплуатации.

Некоторые нюансы планирования системы.

Головные устройства. Часто с них начинается выбор и построение акустических систем в автомобилях. Они же являются своеобразной точкой отсчета, определяющей уровень сложности, дороговизны, качества и стиля установки. В первую очередь – зачем оно приобретается? Вопросы инсталляции и настройки мультимедийной системы выходят за рамки обсуждения любительских установок начального уровня, потому речь о них вести не будем. Лучше представить себе основные принципы построения системы, чтобы можно было их варьировать в зависимости от желания и возможностей, и имеющихся навыков.
Предположим, что мы собрались делать простейшую качественную установку. Источник звука – радио и кассета. Т.е. магнитола. Или СД и радио, т.е СД-ресивер. Или МП3/СД радио, т.е. МП3-ресивер. Но главное, что имеет значение, это уровень, который нам нужен. У нас – простейший.
Выбираем любое головное устройство, которое нам нравится и которое способно достаточно качественно и надежно работать с записями. Анализом этих устройств заниматься не будем. Главное, не рассчитывать, что головное устройство какой-нибудь широко разрекламированной «народной марки» за 50-70 уе с глубокими корнями, уходящими в древнюю традицию производства чайников и утюгов, способно воспроизвести звук, достойный хотя бы половины затраченных на него денег. То есть выбор должен быть достаточно разумным и обоснованным. И не надо уповать на то, что там есть СД или (тем более) МП3 (к этому еще вернемся). Наличие пресловутой «цифры» в «голове» вовсе не означает, что схемно она хорошо продумана, ответственно собрана на качественных компонентах, как ничего не говорит и о надежности, прочности, вибростойкости, пыле/влагозащищенности, температурной стабильности и прочим важным показателям бортовой автомобильной аппаратуры.
Не несут никаких указаний на качество воспрозведения записи и те цифры, что обычно указывают на упаковках и на лицевой панели какого-нибудь «чуда технологий» очередного неведомо откуда всплывшего сомнительного производителя. В общем, все, надеюсь, согласны, обсуждать откровенные кустарные поделки – нет никакого смысла. Почему? По законам физики и электротехники. Даже суперкачественная фирменная запись на СД + неустойчивое считывание + посредственное преобразование + неправильная обработка + искажение всяческими «улучшайзерами» звука + усиление простеньким усилителем с большими искажениями и нелинейностью = (в результате) отвратительный сигнал на выходе головного устройства. Логично теоретически? Так вот, на самом деле все еще хуже.
Существует множество проверенных схемных решений, серьезных производителей автомобильной аппаратуры с богатым опытом, конструкций, рассчитанных по определенным законам (а не по наличию дешевых партий компонент с неизвестным качеством), легальных каналов поставки НЕ поддельной аппаратуры и комплектующих и еще множество других причин, по которым цена головного устройства не может быть ниже определенной величины. И не надо верить сказкам о прорыве в области нанотехнологий, рассекреченных тайнах ВПК и прочих чудесах. Поверьте, производителям чайников это не по карману, да и незачем — затраты на рекламу в сотни тысяч раз меньше, чем на разработку и налаживание производства прецезионного ЦАПа. То есть для производства своей аппаратуры они закупают готовые (причем самые дешевые – иначе такой цены не добиться) детали у третьих фирм. А те (производители), в свою очередь, почему-то не кричат о перевороте мира своими новейшими технологиями.

Странно, не правда ли?

Итак. Выбираем ГУ. Пусть самое простое – мы собираемся получить стереозвук в машине с помощью пары компонентных АС (с коаксиальными и обсуждения не стоит). подключенных напрямую от ГУ. Вооружившись законом Ома, обхихикиваем надписи на лицевых панелях, пророчащие недюжинные мощности ГУ и ищем то, что удовлетворяет нашим требованием – простое в управлении, надежное, желательно со съемной панелью, встроенными усилителями, без дополнительных подключаемых устройств. Такой, например, СД-ресивер вполне уложится в 100уе плюс-минус 5%. Не верите? Можно взять дешевле, но не говорите потом, что вас не предупреждали.
Вынимаем аппарат из упаковки, приспосабливаем место под «корзину» – для Таврии часто используют «бороды» (продолжение торпедо до тоннеля) от ВАЗ или Москвича. Иногда врезают ГУ на место центральных воздуховодов, в «бардачок» – кому как нравится.
Подсоединяем силовые и акустические провода к разъему ISO, который идет в комплекте с ГУ, согласно прилагаемой инструкции, закрепляем в нужном месте «корзину», протягиваем как можно незаметней провода к фронтальной акустике, вставляем в «корзину» ГУ до фиксации, и, собственно, все… Способы выбора и акустического оформления фронтальной АС описаны в FAQ1. Осталось сделать намеченное оформление установить его, как в FAQ7 и, собственно, все. Есть один нюанс – у Таврии в замке зажигания отсутствует положение АСС (аксессуары), начиная с которого включается дополнительное бортовое оборудование. Оно находится раньше зажигания, то есть позволяет слушать музыку на стоянке, однако автоматически выключает питание, когда ключ зажигания вынут. Это помогает избежать посадки аккумуляторов на стоянке, поскольку у некоторых головных устройств встроенные усилители не отключаются до тех пор, пока на «втором «+»» (это и есть вход сигнала АСС в современных ГУ) присутствует напряжение. Существует несколько несложных способов решить эту проблему, стоит только подумать. На этом инсталляция закончена.
Все прочие телодвижения по втыканию дополнительных динамиков можно производить ТОЛЬКО после того, как фронт нормально установлен, настроен и работает «без сучка и задоринки». Почему? FAQ1. Обычно после того, как на фронте одержана полная победа, становится понятно, что тратить деньги на тыл – далеко не самая насущная потребность. Почему? Стоит потрудиться над нормальным фронтом, чтобы понять, почему. Впрочем, обычно к этому вопросу подходят именно через… хм… тыл, так что сравнивать будет с чем.
Но вдруг у вас Таврия-Лимузин. Метров десять… или того больше. Что делать-то – если на задних сиденьях потребуется при движении приличная громкость, то водитель от фронта может и оглохнуть… Что ж. Специально для таких случаев у большинства ГУ существует еще пара выходов на тыловую акустику.
Почему мы не говорили о ней применительно к обычной Таврии? Потому что громкость звука, которой можно добиться с помощью только лишь фронтальной акустики в купе или хэтчбэке величиной с Таврию, приближается к 115-120 дБ в любой точке салона (при соблюдении некоторых дополнительных условий). Для справки – шум, издаваемый неподготовленной Таврией на скорости 90км/ч – около 110-112 дБ, что в несколько раз тише этой громкости. А вот введение дополнительных источников звука может сильно и непоправимо попортить всю звуковую картину, что мы создали на фронте. Ибо любая волна в любой точке порождает другую волну, отражение от многочисленных препятствий – тоже, все они накладываются друг на друга и, естественно, ничего доброго качеству воспроизведения это не добавляет. Хорошо, что их уровень невелик. А если добавить еще несколько источников излучения, сравнимых по мощности с фронтом, с другой фазой и расположением (обычно такое желание мотивируют увеличением громкости)? Да просто каша будет, разве что на 3дБ громче. Громкость достигается совсем другими способами.
Для начала нужно понять различие между неискаженной громкостью и «кАлбасой», уж не знаю, как еще это назвать. Повышение неискаженной громкости в полном диапазоне частот за 135 дБ уже ощущается физически и может быть достаточно болезненным. Некоторые системы способны развить давление в 140 дБ и более. Это уже опасно для здоровья – может привести к временной глухоте. 145 дБ способны нанести физические повреждения, 150 дБ – просто не оставляют шансов остаться здоровым. Конечно, чувствительность организма к разным частотам разная. На такой громкости при 3 Гц у вас нарушится работа системы кровоснабжения и кровообращения, при 7 — овладеет приступ ужаса и паники до шокового состояния, при 15 может случиться эпилептический припадок, при 25-30 ощутимо вибрировать весь организм, при 50-80 — шевелиться волосы и побаливать уши, при 500-1000 Гц можно повредить барабанные перепонки, ультразвук такой мощности может заставить «закипеть» кровь и т.п. В любом случае — всякий «перебор» бесследно для организма не проходит. Что до систем — рассмотрим три варианта.
Правильно рассчитанные и добротно сделанные (чаще всего соревновательные), системы могут практически без искажений работать на уровнях громкости до 135-140 дБ.
Любая система, с любым количеством запитанных от ГУ динамиков едва ли разовьет более 115 дБ, т.е. в сотню раз тише. Однако если прослушивание первой не вызывает дискомфорта даже на пределе болевого порога, то громкость второй начнет казаться избыточной гораздо раньше.
Вокзальный громкоговоритель- «колокол» вообще орет очень громко, хотя звук совершенно непереносимый.
Так в чем же дело? В рассматриваемых случаях – в основном, в диапазоне воспроизводимых частот, равномерности АЧХ и коэффициенте искажений.
В первом случае диапазон системы – от 20-25 Гц до 18-22кГц, неравномерность АЧХ не более 1-1,5 дБ, коэффициент искажений – до 2-3% (иногда и ниже), причем только 0,1-0,5% из них вносится электронной частью звукового тракта, остальное – акустикой. Подаваемая мощность – до 0,5-1кВт РМС.
Во втором случае – диапазон – от 60-80 Гц до 10-13 кГц, неравномерность АЧХ до 6 дБ с (обычно с «горбом» на 150-200 Гц) и коэффициентом искажений до 10% и выше. Подаваемая мощность – до 50-60 Вт РМС.
В третьем случае – диапазон от 800 Гц до 2 кГц, неравномерность АЧХ до 12 дБ и коэффициентом искажений 20% и более (потому часто нельзя разобрать, что же там он пытается сказать). Подаваемая мощность – 30-70 Вт РМС. Дешево и сердито.
Вот и все. Звук может казаться громким, потому что он сильно искажен, имеет неровную АЧХ в области, к которой наиболее восприимчиво человеческое ухо, и вообще не включать в себя частот, кроме наиболее воспринимаемых. На самом же деле имеет место просто раздражающее воздействие на слух неестественным звуком, а не действительно физически измеряемая громкость.
Введением избыточного количества излучателей в систему мы просто повысим уровень интерференционных и фазовых искажений и «изогнем» АЧХ, подаваемая же мощность ниоткуда не появится. Она останется неизменной у головного устройства – 12, максимум 17 Вт РМС/канал. Поэтому кажущееся увеличение громкости – не более, чем иллюзия.
И это еще не все, если даже не лезть глубоко в дебри, а упомянуть лишь добротность излучателей, их собственные резонансные частоты, разноудаленность от слушателя, фазовую несогласованность, то уже этого достаточно, чтобы понять – в данном случае количество не переходит в качество, скорее, наоборот.

Продолжение следует… ))