Целью этой статьи является краткое изложение основ теории звука и их использования в области автомобильного аудио. Мы не собираемся навевать на вас сон. сделав из этого издания учебник по акустике. Если вам захочется узнать побольше о звуке и принципах его воспроизведения аппаратурой класса Hi-Fi, то вы можете обратиться к специализированной литературе по этому вопросу, имеющейся в любой библиотеке или хорошем книжном магазине.
Так что же такое автозвук?
Звук возникает в результате движения воздуха. Во время вибрации деревянной панели происходит расталкивание окружающего ее воздуха. При медленных колебаниях воздух просто перемещается, но если скорость вибрации увеличивается от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч колебаний в секунду, воздух не успевает достаточно быстро уклоняться от движущейся панели и происходит его сжатие. При этом вступает в действие естественная эластичность воздуха. Частицы воздуха отталкиваются от панели и толкают следующие частицы, те сдвигают следующие частицы и так далее; таким образом создается «волна сжатия». Когда панель возвращается в исходное положение, воздух становится менее плотным и заполняет пустое пространство перед ней.
Скорость, с которой образуются волны сжатия, называется «частотой» и измеряется в «циклах в секунду» (cps). Вместо этого термина мы обычно употребляем в качестве единицы измерения герц (1 cps = 1 Гц).
Представьте себе ванну, наполненную водой. Если вы опустите в ванну руку и начнете медленно двигать ею вперед-назад, ничего особенного не случится - вода просто будет обтекать вашу руку с обеих сторон. Но если вы начнете двигать рукой очень быстро, воде не хватит времени, чтобы обогнуть руку, и в ванне начнут образовываться волны. Скоро вода уже будет выплескиваться через край ванны на коврик. Если вместо руки использовать что-то более объемное, например, тарелку, то можно заставить воду выплескиваться из ванны и при меньшей скорости движения. Воздух реагирует на колебания очень похожим образом. Как большие, так и маленькие предметы могут генерировать волны сжатия и, следовательно, звук, но маленьким предметам нужно двигаться быстрее, чтобы вызвать сжатие воздуха перед (за) собой.
Вероятно, вы уже догадываетесь, о чем пойдет речь дальше: о маленьких твитерах и больших вуферах. Динамики любых размеров способны производить звук, и причиной того, что ВЧ-головки имеют маленький диаметр, а НЧ-головки - большой, являются размеры волны сжатия, которую они должны создать, а также вес и другие характеристики движущейся «панели». В случае с динамиком это обычно конусный или купольный диффузор или очень редко - плоская мембрана, как в моделях серии Aliante, разработанных Phase Linear. Чтобы воспроизвести высокие частоты, диффузор должен двигаться очень быстро. Чем он меньше и легче, тем проще усилителю им управлять. Мы еще вернемся к этому вопросу позднее. А сначала необходимо получше разобраться, что представляет собой звук.
Звуковое давление
Волны сжатия, генерируемые звуком, перемещаются с фиксированной скоростью около 330 м/сек (на самом деле температура окружающего воздуха оказывает влияние на точную скорость распространения волн, но не следует обращать на это слишком большого внимания). Если нам известна частота (количество колебаний в секунду), мы можем вычислить расстояние между соответствующими точками идущих последовательно друг за другом волн, другими словами, мы можем вычислить длину волны. Звук с частотой 1100 Гц имеет длину волны 30 см. Звук с частотой 2200 Гц имеет длину волны 15 см, а звук с частотой 550 Гц имеет длину волны 60 см.
Ноты на музыкальной шкале обозначают просто звуки определенной частоты. Например, ля первой октавы на фортепиано - это 440 Гц (длина волны 75 см). В случае с церковным органом или электронным синтезатором ля может быть воспроизведено на четыре октавы ниже ля первой октавы. Основная или «фундаментальная» частота при этом будет очень низкой - 27,5 Гц (дополнительные частоты или обертоны добавляются естественным образом, что придает каждому инструменту индивидуальный тональный характер), а длина волны -около 12 м. В противоположном конце шкалы ля играется на три октавы выше ля первой октавы при частоте примерно 3500 Гц и длине волны всего 9,4 см.
Размеры музыкальных инструментов (и динамиков) обусловливают длину волны, которую они создают. Дека фортепиано и большие трубы церковного органа способны создавать волны большой длины, то есть воспроизводить низкие частоты. Точно так же сабвуфер диаметром 30 см предназначен для воспроизведения низкого баса. Если на мгновение забыть о механических ограничениях, то в принципе ничто не мешает и хорошему 15-сантиметровому мидвуферу воспроизводить очень низкий бас. Он может двигаться с необходимым количеством циклов в секунду, но его размеры позволяют ему смещать только определенный объем воздуха во время каждого цикла. Поэтому он способен выдавать очень низкие частоты только на малом уровне громкости. Это возвращает нас к аналогии с волнами, создаваемыми рукой или тарелкой в ванне с водой. Поверхность 30-см сабвуфера подобна тарелке, она может за один цикл колебаний генерировать такую волну сжатия, которая способна сотрясать оконные стекла в доме напротив.
Формирование звукового образа и фазирование
Когда мы инсталлируем систему класса hi-fi дома или автомобиле, мы пытаемся воспроизвести очень сложную схему распространения звуковых волн в условиях, в корне отличающихся от тех условий, в которых выполнялась запись инструментальной музыки или вокала. Мы стараемся воспроизвести не, только звучание различных инструментов и голоса певцов, но также и их положение на «звуковой сцене». Этот процесс часто называется формированием звукового образа или сценическим образом. Это также можно назвать локализацией звуковой сцены, но в мире автомобильного аудио этот термин обычно используется для описания положения самой сцены (то есть находится ли она впереди или позади слушателей), а не позиции исполнителей на сцене.
Если мы прослушивали и записывали звучание одной флейты, например, в своей гостиной, а затем воспроизвели его через полнодиапазонную акустическую систему, расположенную точно в том же месте, где находился флейтист, есть хороший шанс, что звук будет более или менее идентичным (при наличии высококачественного записывающего оборудования и hi-fi-системы). Характеристики реверберации в комнате останутся прежними, так как мы используем только один динамик вместо того, чтобы искусственным образом пытаться воссоздать расположение флейтиста в комнате при помощи стереотехники. При этом звук инструмента будет локализован точно в нужном месте.
Если бы у нас в комнате был целый оркестр и мы хотели бы повторить то, что мы проделали с одной флейтой, то пришлось бы воспользоваться многоканальной записывающей аппаратурой, несколькими каналами усиления и необходимым количеством акустических систем, каждая из которых была бы расположена строго определенным образом для каждого инструмента. Я сам видел, как это было сделано несколько лет назад на hi-fi-show в Париже, и могу засвидетельствовать, что полученная в результате звуковая сцена была очень реалистичной. Проблема состоит в том, что в большинстве случаев это вряд ли выполнимо даже в домашних условиях и абсолютно недостижимо в автомобиле, поэтому мы и используем стерео.
Целью стереотехнологии является воссоздание точного положения каждого инструмента при помощи только одной пары динамиков, и это достигается в основном за счет увеличения уровня воспроизведения каждого конкретного инструмента в одном канале по отношению к остальным каналам. Различаются только уровни воспроизведения, во всех остальных отношениях длины волн в левом и правом канале будут идентичными, другими словами, волны будут синфазными. Это означает, что если бы можно было «заморозить» звук и увидеть волны, исходящие от обоих динамиков, обе волны находились бы в одной и той же точке своего цикла.
Когда звук записывается для последующего стереовоспроизведения, обычно имеется в виду, что слушатель будет расположен на одинаковом расстоянии от акустических систем. Конечно, в машине это практически невозможно, если только вы не находитесь за рулем McLaren F1. Для того чтобы скомпенсировать смещенное положение слушателя, в автомобильных магнитолах и CD-проигрывателях предусмотрена регулировка баланса воспроизведения, увеличивающая громкость звука с одной стороны по отношению к другой. Это позволяет лишь до определенной степени скорректировать локализацию звукового образа, так как мы по-прежнему находимся ближе к одному из динамиков и настройка баланса не оказывает никакого влияния на фазовые характеристики звукового сигнала и скорость, с которой он достигает наших ушей.
Если вы сидите на переднем сиденье автомобиля ближе к левому динамику, вы услышите звук от этого динамика немного раньше, чем звук от правого или тыловых динамиков. Кроме того, высокочастотные звуки, имеющие очень малую длину волны, скорее всего, будут достигать вашего правого и левого уха слегка несинфазно. Эти искажения фазы и синхронизации мешают правильному восприятию сигнала и могут разрушить стереоэффект. Когда это происходит, вам кажется, что весь звук исходит от ближайшего к вам динамика, а не от воображаемой звуковой сцены на лобовом стекле, и стереообраз при этом не формируется.
Приводимая выше аналогия с водой помогает понять, что подразумевается под выражениями «звук в фазе» и «звук не в фазе». Представьте себе, что вы пускаете слабую волну от одного конца ванны к другому. Если вы обеими руками одновременно запустите две волны, эти волны достигнут своих пиковых значений в одной и той же точке. Про такие волны говорят, что они синфазны. Теперь пустите слабую волну с другого конца ванны навстречу первой волне. Что произойдет, когда волны встретятся? Они схлестнутся и эффективно погасят друг друга.
Теперь вообразите динамики в передней и задней части салона автомобиля, каждый из которых генерирует акустические волны сжатия. Эти волны смешиваются и вызывают очень сложные изменения в звуке. Когда волны сжатия встречаются друг с другом, они могут еще сильнее подтолкнуть воздух в том же направлении, в котором он двигался до этого (таким образом образуются пики АЧХ - амплитудно-частотной характеристики), или одна волна может столкнуться с другой, если они двигаются в противоположных направлениях. В этом случае, если волны идентичны по частоте и силе сжатия и различаются по фазе точно на 1 /2 длины, они могут теоретически полностью погасить друг друга, оставив вас в тишине.
На самом деле рисунок звуковых волн настолько сложен, что они могут лишь частично погасить друг друга, причем наиболее заметно подавляются относительно чистые тона, образуемые волнами большой длины. Чем ниже воспроизводимые частоты и чем больше динамиков задействовано в воспроизведении этой части диапазона, тем более вероятно явление фазового взаимоуничтожения. Если подключить динамики, поменяв полярность на одном из них, они окажутся не в фазе на 180°( 1 /2 длины волны). Теоретически должна была бы произойти взаимная компенсация звуковых волн, излучаемых этими динамиками, но на практике больше всего страдает низкочастотная область воспроизведения, а оставшийся звук становится смазанным, с плохо выраженным или отсутствующим центральным акустическим образом.
Размещение акустических систем
Инсталлируя в своем автомобиле несколько динамиков, мы создаем в его салоне очень сложную картину волн сжатия, которая может отрицательно сказаться на общем качестве звука. Это вовсе не означает, что устанавливать в машине большое количество динамиков не следует. Мы можем разделить частотный диапазон на небольшие сектора - инфранизкочастотный, низкочастотный, средненизкочастотный, среднечастотный, верх среднечастотного диапазона и высокочастотный диапазон - с тем чтобы за каждый из этих секторов отвечала одна пара динамиков. Если принять во внимание ограничения, присущие громкоговорителям, такая идея может оказаться очень продуктивной для достижения абсолютной верности воспроизведения. Конечно, салон автомобиля имеет довольно ограниченное пространство, и поэтому мы обычно стараемся устанавливать поменьше динамиков, чтобы они охватывали только инфранизкочастотную, низкочастотную, средне- и высокочастотную области воспроизведения. Это позволяет качественно передавать тональные характеристики различных инструментов и голосов, но остаются проблемы фазовой синхронизации, временного совпадения и изменения в звуке при смещении от центральной оси.
Следует избегать воспроизведения одной и той же полосы частот динамиками, находящимися на разном расстоянии от слушателя. Например, если в передней части салона имеется пара 15-см динамиков для среднего баса, то нельзя устанавливать на задней панели еще одну пару таких же динамиков, воспроизводящих ту же самую область диапазона. Столкновение волн сжатия вызовет их усиление или поглощение в зависимости от фазы, в которой находилась каждая волна в момент встречи. Пики и провалы АЧХ могут быть отрегулированы при помощи третьоктавного эквалайзера (что довольно дорого), а синхронизация звука от каждого динамика может быть выполнена цифровым процессором «согласования по времени» (что еще дороже), но не существует практического способа компенсации фазовых искажений. Гораздо более разумным будет с самого начала избежать этих проблем.
Выбирая расположение динамиков, особенно СЧ- и ВЧ-головок, старайтесь инсталлировать их таким образом, чтобы левые и правые динамики из каждой пары находились на одинаковом расстоянии от слушателей. Разумеется, это не всегда легко выполнимо, но все же следует постараться сделать все от вас зависящее. Сред-нечастотники, а иногда и высокочастотники хорошо работают при размещении их в нише для ног. Если вы хотите установить твитеры повыше, попробуйте по возможности смонтировать их в точке, находящейся на середине расстояния от среднечастотников: есть обоснованное мнение, что размещение СЧ- и ВЧ-головок точно под углом 180° улучшает формирование стереообраза.
Более крупные низкочастотные динамики могут быть укреплены на дверях. Это не ухудшает локализацию стереообраза в том случае, если точка раздела АЧХ в кроссовере настроена так, что выходной сигнал от вуферов не накладывается на частотный диапазон СЧ-го-ловок слишком заметно.
Сабвуфер или сабвуферы обычно размещаются в задней части автомобиля из-за своих размеров. Будьте внимательны при выборе крутизны спада и при установке точки среза кроссовера на канале (или каналах), подающих сигналы к этим динамикам. При установке фильтра нижних частот с крутизной затухания 6 дБ/окт (пропускающего частоты только ниже определенной точки кроссовера) на отметку 100 дБ, выходной сигнал при частоте 200 Гц будет всего на 6 дБ ниже, и так как сабвуферы обычно работают на большой громкости, волны сжатия, создаваемые в области средних частот, скорее всего, будут достаточно сильными, чтобы взаимодействовать с динамиками, установленными в передней части салона. Наиболее оптимальной крутизной спада для сабвуфера обычно являются 12 или 18 дБ.
Инсталлирование полнодиапазонных акустических систем в задней части салона или в задних дверях автомобиля часто нарушает формирование стереообраза в передней части салона, так как в результате такой установки одни и те же звуки исходят от нескольких источников, что нарушает естественность восприятия. Если вам необходимо разместить динамики а задней части салона для создания эффекта «окружающего звучания» или «двойной фронтальной звуковой сцены» из-за того, что ваш клиент часто перевозит пассажиров на заднем сиденье своего автомобиля и желает создать для них оптимальные условия прослушивания, настройте регулятор фронтального/тылового уровня сигнала магнитолы или CD-проигрывателя таким образом, чтобы при прослушивании с водительского сиденья громкость воспроизведения звука у фронтальных динамиков была выше, чем у тыловых. Но даже в этом случае вам может показаться, что стереофоническая звуковая сцена в передней части салона остается нечеткой. Если это так, вам стоит поэкспериментировать, поменяв полярность +/- соединений у тыловых полнодиапазонных громкоговорителей, в результате чего их фаза будет сдвинута на 180° по сравнению с фронтальными динамиками. На первый взгляд, такая идея может показаться бредовой, но часто это действительно срабатывает. Необходимо только следить за тем, чтобы полярность соединений была одновременно изменена у обоих динамиков в паре.
В идеале воспроизведение всех звуков на всех частотах должно начаться точно с одного места. Акустическая система, которая стремится выполнить это требование, часто описывается как «точечный источник», так как различные драйверы физически согласованы в ней таким образом, что звук, по крайней мере теоретически, находится в фазе и синхронизирован по времени во всем диапазоне частот. Однако на самом деле в автомобиле динамики бывают установлены на различных расстояниях друг от друга и под различными углами к водителю и пассажирам. Динамик, обращенный непосредственно к слушателю, обычно называется «осевым», а динамик, размещенный в нижней части салона или в двери рядом с водителем, описывается как «внеосевой».
Если динамик работает как внеосевой, его выходные характеристики несколько меняются. Это прежде всего касается АЧХ, а также могут произойти фазовые сдвиги. Очень важно не забывать об этом и по возможности стараться экспериментировать во время инсталляции, меняя угол установки динамика для получения наилучшего качества звучания.