Эзотерика звука, акустики, рупора и лампы

Рупорная акустика и ламповые усилители часто становятся объектом эзотерических споров. Поиск по запросу «рупорная акустика» выдает множество мифов, заставляющих усомниться в базовых законах физики. Эта статья поможет отделить реальную физику звука от маркетинга, опираясь на теорию четырехполюсников и принципы распространения волн. Мы разберем, как работают волноводы, почему важна когерентность и какие элементы действительно влияют на качество звука.

Основные тезисы физики звука

• Теория четырехполюсников: Для передачи максимальной мощности в нагрузку при заданных искажениях необходимо согласование выходного сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Несоблюдение этого правила ведет либо к выходу источника из строя, либо к критическому падению мощности.
• Воспроизведение формы сигнала: Для идеального воссоздания меандра (прямоугольного сигнала) требуется бесконечное число гармоник, убывающих по амплитуде согласно ряду Фурье. Это доказывает, что чем шире полоса воспроизведения, тем точнее форма сигнала, так как в музыке отсутствуют «чистые» гармонические синусоиды.
• Когерентность и интерференция: В теории когерентность источников подразумевает их полную идентичность. На практике же мы имеем дело с интерференцией — наложением волн со сложными и мало прогнозируемыми последствиями, особенно при фазовых искажениях, даже если частоты и амплитуды совпадают.
• Сферическая волна: В дальней зоне правильная сферическая волна имеет сечение в виде окружности. Излучение происходит во все стороны с убыванием мощности пропорционально кубу расстояния.

• Искажения в волноводах: Прохождение волны между параллельными поверхностями (как в волноводе) вызывает стоячие волны и резонансы. Эти искажения зависят от геометрических размеров и соотношения с длиной волны. Неправильные отверстия в волноводе следует категорически избегать.
• Золотое правило тракта: Лучший элемент в цепи качественного звуковоспроизведения — это его отсутствие.
• Эволюционный стандарт: Оптимальная форма передачи звука («велосипед») была проверена и отобрана природой за миллионы лет эволюции слуховых систем живых организмов.

Физика акустических систем

• Главная задача акустического оформления — не исказить возможности динамика, а обеспечить его полное раскрытие.
• Звучать должен только диффузор динамика, а не дополнительные элементы оформления («феншуй»).
• Отсутствие широкополосных динамиков, способных воспроизвести достаточную полосу частот для приближенного воссоздания формы сигнала, компенсируется посещением концертов с живым звуком.

• Акустическое замыкание: Возникает на частотах, сравнимых с дугой в четверть длины волны от фронта к тылу излучателя.
• Жесткость воздуха в корпусе должна быть согласована с жесткостью подвижной системы динамика.
• Природа отдала предпочтение одной форме воздушной нагрузки — экспоненте. Коэффициент расширения экспоненты должен соответствовать затуханию нижней граничной частоты.
• Расчет рупора (экспоненты) базируется на четырех параметрах: площадь излучателя, максимальная требуемая акустическая мощность (давление в горле), граничная нижняя частота и периметр устья.
• Акустические материалы внутри корпуса должны быть индифферентны к звуку. Заполнение «ватой» оправдано только для теплоотвода нагреваемого воздуха.
• Лучший материал для акустического оформления — бетон, а лучшая форма закрытого ящика — сфера.

Усилители и электроника

• Человеческий слух имеет предел: 80-90 дБ способны повредить барабанные перепонки.

• Лучший элемент в звуковом тракте — его отсутствие (минимизация компонентов).
• Массовое применение полупроводников часто не имеет ничего общего с качеством звука.
• Печатные платы — это вопрос эстетики, а не акустики.
• Входной трансформатор — избыточный и часто вредный элемент.
• Режимы усиления: для качественного звука допустим только класс «А». Остальные режимы используются для генерации и преобразования формы сигнала.
• Каждый элемент имеет свой «голос», который не всегда приятен восприятию.
• Для «правильного» звука уху необходимы вторые гармоники.
• Наилучшие результаты показывают многоампинговые тракты.
• Даташиты, торговые марки, цвет корпуса и цена часто не коррелируют с качеством звука. Цена обычно находится в обратной пропорции к ожидаемому результату.

Ламповая техника

Для ламповых усилителей лучшими результатами обладают лампы серии 4П1Л. Лампа 12П17Л практически не уступает ей. Также стоит отметить ГУ-15. В октальной серии, в порядке убывания качества, выделяются: 6С5С, 6С2С и 6Н8 (последняя подходит для фазоинвертора). Из зарубежных аналогов можно упомянуть 300Б и 2А3. Для выходных каскадов в октальном исполнении рекомендуется 6П6. При расчете каскадов опирайтесь исключительно на законы физики и вольт-амперные характеристики (ВАХ) от производителя. Избегайте комплектующих от китайских производителей, за исключением паяльника и припоя.

Расчет выходных трансформаторов

• Используйте железо серий ТС или ОСМ, либо намотку на тороидальных кольцах.
• Хорошим источником железа являются бесперебойники. Желательно использовать крупные сердечники, даже сварные после резки болгаркой, главное — наличие отверстий под болты.
• Зазор: Зависит от анодного тока и схемы (одно- или двухтактной). Обычно достаточно зазора около 0,05 мм в одном месте разрыва сердечника (например, из кальку).

• Секционирование: Сначала размещайте 50% первичной обмотки у керна, затем остальное. Категорически избегайте двойных проводов или параллельных обмоток.
• Технологически первичную обмотку следует предусматривать по секциям 50% и 75% для ультралинейного (УЛ) включения.
• Вторичную обмотку желательно делать с отводами для точной подстройки под конкретную акустику.
• Симметрирование: Для двухтактных схем обязательно наличие средней щечки на катушке и секционирование-коммутация плеч из разных мест намотки.

Если вас интересует более глубокое погружение в тему акустических систем, рекомендуем ознакомиться с материалами о акустических поверхностях рассеивания.

Еще раз с глубоким уважением и благодарностью за научения к:

Гюйгенсу Х.ван З.
Френелю О.Ж.
Эфрусси М.М.
Алдошиной И.А.
Войшвилло А.Г.

Для тех, кто хочет разобраться в выборе электронных компонентов, полезна будет статья «Какая лампа нам нужна?».

Автор: Ерохов Ю.Н.
30.07.22

Также рекомендуем посмотреть проект «Самодельный ленточный ВЧ динамик» для понимания принципов работы высокочастотных излучателей.