Почему малогабаритные АС не могут точно воспроизводить низкие частоты

«Фантастическая, правдивая передача басов: эти мониторы-малютки действительно говорят правду о качестве записи!» — это типичное рекламное уверение, которое редко соответствует действительности. На самом деле, это невозможно по определению: законы электроакустики не позволяют малогабаритным системам на студийных уровнях громкости достигать той же точности частотной и переходной характеристик, что и большим мониторным системам, заподлицо смонтированным в стену. Если вы хотите понять, почему выбор материала диффузора важен, но недостаточен для исправления физических ограничений, читайте далее.

Малогабаритные колонки ограничены законами физики. Вот 3 причины, почему они не заменят большие мониторы:

• Нелинейность «воздушной пружины»: сильное сжатие воздуха в малом объеме вызывает искажения.
• Проблема чувствительности: для расширения баса приходится утяжелять подвеску, что снижает КПД.
• Временные искажения: фазоинверторы и фильтры «размывают» переходные процессы.

Воздушная пружина

Акустические системы с динамическими головками в закрытых корпусах являются излучателями типа «объем-скорость». Акустическая отдача — это произведение площади диффузора на его скорость. Для излучения фиксированной мощности можно либо медленно двигать большой объем воздуха (большой диффузор), либо быстро двигать малый (малый диффузор). Меньшему динамику требуется большее расстояние смещения и более высокая скорость, при этом ограниченный объем воздуха внутри корпуса подвергается резким перепадам давления.

Рассмотрим расчет. Пусть диффузор 15” динамика в 500-литровом корпусе имеет пиковое смещение 2 мм. При площади 80000 мм² однонаправленный сдвиг составляет 80000 мм³ (0,08 литра). В объеме 500 литров это изменение давления ничтожно — 1/6250 доли объема.

Для 6-дюймового динамика в 10-литровом корпусе, чтобы выдать то же давление, смещение должно вырасти до 12 мм. Он вынужден двигаться в 6 раз быстрее. Толкание тех же 80000 мм³ воздуха в объеме всего 10 литров создает изменение давления в 1/125 долю объема. Относительное сжатие здесь в 50 раз сильнее, что ведет к серьезным последствиям.

Сжатие воздуха — процесс нелинейный. Остановите поршень велосипедного насоса, и вы почувствуете, как сопротивление растет по мере сжатия. Сжать воздух на 1 литр до нуля требует бесконечной силы, а разрежение до 2 литров — умеренной. Силы упругости при сжатии и разрежении не равны, что порождает нелинейные искажения. Кроме того, нагрев катушки меняет температуру воздуха внутри, создавая дополнительные сложности.

Размеры, вес и чувствительность

Расширение низкочастотного диапазона ограничено резонансной частотой системы. Она зависит от жесткости «воздушной пружины» (объема корпуса) и массы подвижной системы. В маленьком корпусе воздух жестче, поэтому резонансная частота любого динамика в нем будет выше, чем в большом. Чтобы понизить резонанс, нужно увеличить массу подвески («диффузор-катушка»). Это как гитарная струна: чтобы понизить тон при том же натяжении, струну нужно сделать толще и тяжелее.

Но тяжелая подвеска требует больше энергии для движения той же амплитуды. При одинаковой резонансной частоте более тяжелая система будет иметь меньшую чувствительность. Уменьшение корпуса неизбежно ведет к падению отдачи на НЧ или снижению чувствительности. Попытка компенсировать это увеличением магнитной системы в малом корпусе ведет к парадоксу: магнит занимает объем, воздух сжимается сильнее, жесткость пружины растет, резонанс снова повышается, и массу подвески приходится увеличивать еще больше. Это замкнутый круг, снижающий эффективность.

Сравним системы: UREI 815 (2 динамика по 15”, объем ~500 л) при 1 Ватте выдает то же звуковое давление, что и ATC SCM10 (объем ~10 л), в которую нужно вкачать почти 200 Ватт! Разница чувствительности составляет 22 дБ. Высокая чувствительность и глубокий бас достижимы только в больших корпусах.

Малые диффузоры, двигающиеся с большой амплитудой, подвержены искажениям Доплера и интермодуляционным искажениям из-за нелинейности подвеса. Кроме того, низкая чувствительность малых систем приводит к сильному нагреву катушки и температурной компрессии мощности. Турбулентность воздуха на краях малого диффузора также добавляет шумов. Все это делает большие диффузоры, двигающиеся плавно, технически превосходящими малые.

Коммерческие решения

Рынок требует баса из крошечных коробок, поэтому производители используют фазоинверторы. Масса воздуха в трубе резонирует с пружиной корпуса, расширяя АЧХ. Однако ниже резонансной частоты контроль над диффузором теряется полностью. Для защиты используются электронные фильтры, которые ограничивают ход диффузора на низких частотах.

Это позволяет получить ровную АЧХ и высокий SPL без поломки динамика, но цена высока. Резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно. Фазоинверторные системы имеют более длинную импульсную характеристику — переходные процессы «размываются» во времени. Электрические фильтры высших порядков лишь усугубляют это «звон».

Время не ждет

Графики затухания показывают: фазоинверторные системы проигрывают закрытым корпусам по скорости нарастания и затухания низких частот. Это убивает низкочастотный «удар» (punch). Спад АЧХ у фазоинвертора ниже резонанса составляет 24 дБ/октаву, а с учетом электронных фильтров — до 48 дБ/октаву. Такие системы могут давать громкий бас, но жертвуют временной точностью.

Разные резонансы создают разную окраску звука. В домашнем прослушивании это допустимо, но в студии это мешает. Закрытые корпуса (например, Auratone или Yamaha NS-10M) звучат более предсказуемо благодаря быстрому затуханию. Ошибки баланса, допущенные из-за «завала» НЧ на таких мониторах, можно исправить эквалайзером при мастеринге. Ошибки же, вызванные временными искажениями фазоинверторов (например, неверное восприятие удара большого барабана), исправить невозможно.

«Переходной» компромисс

Для 10-литровых корпусов компромисс неизбежен: между расширением баса, громкостью и размерами. Между громкостью, басом и точностью переходных процессов. При низких громкостях малые корпуса могут звучать хорошо, но на студийных уровнях нелинейность сжатия воздуха дает сильные искажения. Эквализация АЧХ малых систем часто приводит к удлинению импульсной характеристики, но закрытые системы все равно будут точнее фазоинверторных во времени.

Концепция мониторинга ближнего поля возникла как ответ на проблемы отражений от стен. В студиях с сильным поглощением звука прямое излучение больших мониторов дает наилучший результат. Маленькие мониторы в ближнем поле доминируют над акустикой комнаты, но их физические ограничения остаются неизменными.

Последствия

Индустрия часто игнорирует физику в погоне за маркетингом. Бизнесмены заказывают продукты, удобные для продажи, а не для работы. Однако многие инженеры выбирают системы с «завалом» баса (NS-10, Auratone) именно за их временную точность. Это позволяет слышать истинный баланс инструментов, не искаженный резонансами фазоинверторов.

Если вы разбираетесь в схемотехнике, то поймете, что улучшение УМЗЧ с полевыми транзисторами не спасет ситуацию, если источник сигнала (АК) физически не способен воспроизвести частоту без искажений.

В конечном итоге, малые мониторы хороши для проверки микса на «телефонный» звук и контроль ВЧ, но полагаться на них для оценки баса — ошибка. Для честного мониторинга нужны большие системы или осознание компромиссов малых.

Перевод: Олег Науменко

По материалам: sound-consulting.net