Что такое коаксиальная акустика и ее особенности

Стоячие волны

Если 2 волны с одинаковыми амплитудой, фазой и частотой движутся в противоположных направлениях, то при встрече они образуют 1 стоячую. На этом месте появляются чередующиеся участки максимумов амплитуд (зоны сложения или «пучности») и минимумов (зоны вычитания или узлы).

Звуки, которые движутся в противоположных направлениях, образуют стоячую волну.

В таком сигнале энергия не изменяется, т. к. переносится в равном количестве прямо и обратно.

Рассматриваемое явление влияет на акустическое восприятие игры музыкальных инструментов: в узлах басы почти не слышны, в «пучностях» звучат очень насыщенно.

В струне

Натянутая музыкальная струна генерирует поперечные колебания, а сама утрачивает первоначальное положение.

Колеблющаяся вибрирует закрепленными неподвижно концами и производит основной тон. Он состоит из комбинации стоячих волн. Их узлы находятся на зафиксированных концах.

Кроме того, вибрации в струне возникают в нескольких местах. При этом струна оказывается как бы разделена на равные части. Каждая из них тоже колеблется с образованием своих сигналов и производит дополнительные тоны меньшей амплитуды.

В духовых инструментах

Теория звука в струне применима к духовому музыкальному инструменту. Последний можно упрощенно представить в виде прямой трубы, в которой образуются стоячие волны. У открытого конца находится «пучность», у закрытого – узел.

В духовых инструментах применяется теория звука.

Как устанавливается звуковая система

Располагается коаксиальные приборы в тыловых частях салона. На задних полках или дверях. Более простые варианты устанавливают в панелях спереди. Но надо понимать, что передние панели перегружать не рекомендуется. При желании подсоединить звук в передней части машины, элементы монтируют в передние двери.

Установка звуковой системы

Лучшая коаксиальная акустика должна радовать не только водителя, но и пассажиров

Поэтому качество системы очень важно. Установить эффективное звучание просто

И многие делают работу самостоятельно. Не требуется проводить сложные расчеты и изготавливать специальные подиумы. На звуковое качество это не влияет.

Установка и подключение всех компонентов акустикиСоблюдая следующие рекомендации с установкой справитесь без труда.

1. Подберите колонки с подходящим диаметром. Если колони не соизмеримы с отверстиями, используйте кольца переходники.
2. При подключении звука в авто, нужно знать характеристики мощности магнитолы и колонок. Также, грамотно выбирайте усилитель.
3. Энергетический источник для электроники машины — ее аккумулятор. Поэтому учитывайте то, что при большом количестве аппаратуры, мощности будет не хватать. Повышается вероятность «заглохнуть» в неподходящее время. Чтобы решить эту проблему устанавливаются конденсаторы. Приборы уменьшают расход электричества.
4. Чтобы закрепить колонки, изготавливают проставочное деревянное кольцо.
5. Задняя полка авто предназначена для колонок. Чтобы их закрепить, нужно снять полку. Только грамотное крепление не позволит элементам скрипеть и дребезжать.
6. Провода подбирают отдельно. Лучше купить их с сечениями до 4 мм. Провода прилагаются к системе, но бывает, что не подходят по мощности и могут быть подключены только к маломощным головкам (до 20 Вт.). Если присоединить провода с малым сечением, не получится качественного звука и нормальной работы колонок.
7. Перед началом подсоединения элементов и проводов, проверьте все предметы на соответствие по мощности.

Динамики для авто

Среднечастотный динамик

Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику

Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям

Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром

Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.

Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.

Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором

Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.

Сравнение широкополосных динамиков от разных производителей

Мы собрали основные параметры колонок в единую таблицу, чтобы вы могли выбрать наиболее подходящую модель из предложенного списка.

Название модели	Типоразмер, см	Мощность, Вт	Диапазон частот, Гц	Чувствительность, дБ	Стоимость, руб
Pioneer TS-MR1600	16	25-100	30-30000	90	3570
Morel CCWR254	6,5	40-80	300-19000	84	7500
JBL MS6510	16	50-150	50-20000	90	3600
Pioneer TS-G1010	10	20-70	45-20000	90	1160
JVC CS-V518	13	25-200	52-20000	90	1300
Avatar XBR-613	16	50-100	60-19000	90	2270
Pioneer TS-G1710F	17	40-280	34-16000	89	1440
JVC CS-V418	10	20-180	70-20000	89	955
JVC CS-J410X	10	21-210	45-20000	90	710
KENWOOD KFC-S1056	10	21-220	50-18000	88	760

Простое объяснение дополнительных терминов

Для тех, кто только постигает основы акустической науки, предусмотрен упрощенный вариант описания акустических явлений и терминов.

Шум

Это относительное понятие, т. к. под ним подразумевают любой нежелательный звук. Шумом становится беспорядочный набор тонов различных характеристик. В нем отдельные сигналы не связаны между собой, возникают хаотично.

Можно наслаждаться громким звуком, а также испытывать дискомфорт от его прослушивания.

Выделяют разновидности шума по характеру звучания:

• постоянный;
• колеблющийся (непрерывно изменяющийся);
• прерывистый (с равномерными ступенчатыми интервалами);
• импульсный (с неравномерными интервалами звучания).

Шум подразумевает любые нежелательные звуки.

Шум различают по спектру:

• широкополосный (со спектром, превышающим размеры октавы);
• тональный (с отличающимися уровнями в соседних полосах).

Источники шума:

• транспортные средства;
• производственное оборудование;
• звуковоспроизводящие механизмы на производстве и в быту.

Шум классифицируют по уровням:

Уровень шума, дБ	Описание шума	Пример
25–26	Едва различим	Ночь в деревне при отсутствии ветра
30	Хорошо слышен	Ночь в городской квартире
40–59	Не нарушает комфорта	Повседневный быт
60–75	Вызывает дискомфорт	Громко работающий телевизор
78–119	Сверхгромкий	Оживленная автотрасса
120–180	Опасный	Взрыв большой мощности

Интенсивность звучания

Волны звука переносят энергию. Ее поток проходит через участок пространства за единицу времени. Этот поток и определяет интенсивность звука.

Интенсивность звучания проходит через участок пространства.

Ухо чувствительно к широкому диапазону звука. Человеческая речь воспринимается лучше всего.

Децибел

Интенсивность звучания принято измерять в децибелах (дБ). Это логарифмическая величина, названная по фамилии шотландца Белла, изучавшего природу звуков.

Громкость

Это субъективное восприятие интенсивности звука, которое зависит от давления, спектра и длительности воздействия.

Громкость – одна из характеристик музыкального тона.

Ощущение громкости зависит от:

• амплитуды колебаний;
• их частоты;
• возраста.

Громкость — восприятие интенсивности звука.

Чем сильнее музыканты ударяют по гитарным струнам, тем больше амплитуда их колебаний. Если звучащее тело издает колебания увеличенной амплитуды, то она увеличивается и в звуковой волне. Таким образом, громкость сигнала зависит от энергии колебаний. Первая величина растет в арифметической прогрессии, вторая – в геометрической.

Такая закономерность дает человеку возможность слышать как очень тихие, так и сверхгромкие звуки.

Зона слышимости составляет 16–20 кГц, но лучше ощущаются сигналы в диапазоне от 1 до 5 тыс. Гц. По мере приближения к границам частот слышимость уменьшается.

Дифракция звука

Способность звукового сигнала отклоняться от первоначальной траектории получила название дифракции.

Результаты этого явления – проникновение звука за массивное препятствие и способность проходить сквозь щели или крохотные отверстия.

Дифракция не подчиняется законам отражения и преломления. Благодаря ей звук рассеивается.

Дифракция — способность звука отклоняться от первоначальной траектории.

Физики объясняют такой эффект с помощью принципа Гюйгенса–Френеля. Каждую точку поля они рассматривают как самостоятельный источник сферических волн, способный огибать окружающие объекты.

Поглощение вследствие внутреннего трения и теплопроводности

По мере распространения волн звука их интенсивность уменьшается. Причем часть акустической энергии рассеивается в любой среде.

Известны причины поглощения звука:

• внутреннее трение;
• межмолекулярное взаимодействие;
• теплообмен.

Межмолекулярное взаимодействие является причиной поглощения звука.

Интенсивность поглощения зависит от:

• частоты сигнала;
• давления;
• температуры среды.

При прохождении звукового импульса между частицами среды возникает трение. В жидкостях и газах его называют вязкостью. Благодаря ей акустические волны утрачивают энергию, которую необратимо превращают в теплоту.

Выведена формула, согласно которой поглощение сигнала возрастает пропорционально квадрату частоты. Поэтому высокочастотные звуки поглощаются быстрее низких.

История

Раньше радиодинамики состояли из рога, часто продаются отдельно от самого радио (обычно это небольшая деревянная коробка, содержащая электронные схемы радио), поэтому обычно их не размещали в вольере. Когда в середине 1920-х годов были представлены драйверы громкоговорителей с бумажным диффузором, радиокабины стали делать больше, чтобы в них помещались как электроника, так и громкоговоритель. Эти шкафы были сделаны в основном ради внешнего вида, а громкоговоритель просто установлен за круглым отверстием в корпусе. Было замечено, что корпус сильно влияет на низкие частоты динамика. Поскольку задняя часть громкоговорителя излучает звук в противофазе от передней, могут возникать конструктивные и деструктивные помехи для громкоговорителей без кожуха, а также частоты ниже, связанные с размерами перегородки в громкоговорителях с открытыми перегородками (описаны в разделе «Предпосылки» ниже). Это приводит к потере низких частот и гребенчатая фильтрация (т.е. пики и спады мощности независимо от сигнала, который должен воспроизводиться).

Многоклеточный рупорный громкоговоритель Lansing Iconic 1937 года выпуска.

До 1950-х годов многие производители не закрывали полностью свои громкоговорители; задняя часть шкафа обычно оставалась открытой. Это было сделано по нескольким причинам, не в последнюю очередь потому, что электроника (в то время ламповое оборудование) могла быть размещена внутри и охлаждаться конвекцией в открытом корпусе.

Большинство типов корпусов, обсуждаемых в этой статье, были изобретены либо для того, чтобы отгородить звук, не совпадающий по фазе с одной стороны динамика, либо для его модификации, чтобы его можно было использовать для усиления звука, производимого с другой стороны. Тем не менее, некоторые дизайны пошли в другом направлении, пытаясь учесть естественные акустические свойства материала корпуса, а не ослабить его, и придать корпусу такую ​​форму, чтобы задняя часть оставалась открытой и по-прежнему обеспечивала хороший басовый отклик с ограниченной гребенчатой ​​фильтрацией.

Динамик для специальной акустической системы

Существует широкий спектр специализированной акустики – всепогодная для эксплуатации в условиях внешней среды, ландшафтная, акустика для помещений с повышенной влажностью или высокой степенью запыленности и так далее. Влага, пыль, интенсивная инсоляция и другие факторы воздействия требуют особых решений. Как правило, к этой категории колонок предъявляются совершенно иные требования. Многие требования, предъявляемые к АС домашних кинотеатров и стереосистем, для специализированной акустики являются неприоритетными.

Исходя из этого, упор в создании динамиков для таких колонок делается прежде всего на их долговечность и надежность. А они достигаются прежде всего внушительными конструктивными изменениями и подбором соответствующих материалов для их изготовления

Также особое внимание разработчиков уделяется поиском и защите наиболее уязвимых элементов

Волновая природа звуков

Основана на уплотнении молекул среды при колебании тел в ней.

Впервые обоснована немецким ученым Германом Гельмгольцем в конце XIX в.

Что такое звуковые волны

Вследствие колебательных движений в различных средах периодически повышается давление в отдельно взятой точке. Оно передается на соседние частицы и далее по цепочке. В результате наблюдается чередование участков повышенного и пониженного давления, т. е. областей сжатия и разрежения. В них колеблется каждая частица среды.

Звуковые волны получаются в результате колебательных движений.

Непрерывная поверхность колебаний образует фронт с несколькими типами сигналов.

Плоские волны

Если размеры фронта в несколько раз превышают длину волны звука, то последнюю называют плоской. Она может распространяться на большое расстояние от своего источника.

Сферические волны

В тех случаях, когда источник звука точечный и его размеры намного меньше длины излучаемых сигналов, рассматривают их сферическую разновидность.

Свойства гармонических волн

В ответ на гармоническое воздействие возникает отклик – гармоническая волна. Она изменяется по закону синуса или косинуса, распространяется линейно.

Звуковые колебания такого типа характеризуются:

1. Громкостью. При высокой амплитуде колебаний звучание получается громким, при низкой – тихим.
2. Высотой. Она зависит от частоты колебаний. Так например, при пении басом голосовые связки колеблются медленно, сопрано – в несколько раз быстрее.

Гармоническая волна распространяется линейно.

Характеристики продольных и поперечных волн

Различия представлены в таблице:

Характеристики	Место возникновения	Направления колебания частиц и продвижения	Скорость распространения	Способность к поляризации
Продольные	Жидкости и газы	Совпадают	Большая	Нет
Поперечные	Твердые тела	Перпендикулярны	Меньше	Есть

Установка коаксиальной акустики – особенности и рекомендации по размещению

Обычно производитель выпускает модель акустической системы и в компонентном варианте, и ее коаксиальный аналог. Рассмотрим преимущества коаксиальной версии при равных размерах и технических характеристиках.

• Цена комплекта ниже. Это достигается благодаря отсутствию такого дорогостоящего компонента, как фильтр частот – кроссовер – в количестве двух. Также предполагается наличие только двух динамиков (в комплекте), а не четырех (у 2-компонентного варианта).

• Установить комплект коаксиальной акустики проще и быстрее. Не требуется искать места для установки твитеров и закрепления кроссоверов. Также нет необходимости протягивать провода от кроссоверов к динамикам. Устанавливаем в штатное место (иногда на проставочное кольцо) и подключаемся к штатной же проводке.

• Готовая и сбалансированная акустическая система, не требующая настройки. Система коаксиальных динамиков не предполагает никаких настроечных работ и выдает звук в соответствии с заводскими настройками и характеристиками мест под установку.

• Некоторые модели выпускаются с поворотными твитерами, что позволяет выбрать направление высокочастотного звукового потока.

Но у коаксиальной акустики есть и ряд недостатков, о которых и поговорим.

Самый главный недостаток – отсутствие разнесенности. Все частоты проигрываются одним корпусом, который устанавливается в нижней части двери или на полке. То есть пропадает возможность разделить частоты и организовать направление звука именно так, чтобы слушатель мог получить наиболее оптимальное (в рамках салона автомобиля) звучание.

Ни для кого не должно быть секретом, что звуковая сцена в автомобиле должна быть ориентирована на переднюю часть (водитель и передний пассажир), поэтому именно в передней части автомобиля должна быть установлена акустика, которая и сможет выдать полноценный звук. И именно поэтому коаксиальная акустика не рекомендуется к установке в переднюю часть автомобиля. Звучание динамиков, которые установлены в задней части автомобиля, доходит до передней части с большими искажениями, поэтому нет никакой необходимости устанавливать там соизмеримую с передней акустику. Так что именно в задние двери и рекомендуется устанавливать коаксиальную акустику, которая будет выступать в качестве “подзвучки” для передней.

То есть основная рекомендация при замене штатной акустики может выглядеть так – компонентный фронт и коаксиальный тыл. И даже если штатная система подразумевает коаксиальный фронт (два динамика), то ничего не мешает автовладельцу заменить фронтальную акустику на 2-компонентную, а в заднюю часть (при необходимости) установить более качественную коаксиальную акустику. Но все это, конечно же, далеко не обязательно. Огромному количеству автовладельцев будет вполне достаточно того звучания, которое может дать коаксиальная акустика, даже будучи установленная в качестве передней. Этот вариант очень часто имеет место в том случае, когда “просто” требуется улучшить звучание штатной акустической системы.

Также у автовладельцев очень часто возникает вопрос – а что может дать коаксиальная акустика (как правило, овальная) в полке багажника? Дать однозначный ответ – хорошо или плохо – нельзя. Многое зависит от потребностей автовладельца. В некоторых штатных системах динамики установлены и в полке (их может не быть в задних дверях), но здесь все гораздо сложнее. Если разговор о действительно качественных штатных системах, то все настроено таким образом, что и задние пассажиры получают более качественную сцену, и это не идет во вред фронтальной сцене. Но многие автовладельцы (чаще на бюджетные автомобили) любят устанавливать по два, и даже четыре “овала” в полку. А еще очень любят, чтобы все они играли от усилителя. Итог здесь один – очень громко. Кроме того, многие автовладельцы уверены, что таким образом удается охватить и “сабвуферный диапазон” (большая площадь диффузора динамиков, как говорилось ранее). Действительно, “овалы” могут затрагивать более низкие частоты (чем круглые коаксиальные динамики), но подобный динамик все равно полноценно не отыграет тот диапазон, который предназначен для сабвуферного динамика. Да и здесь сразу можно забыть о таким понятиях, как “качественный”, “полноценный”, “звуковая сцена”. Просто будет очень громко. Ну а если автовладельцу это и требуется – то почему бы и нет?

Явление резонанса – что это

Впервые явление резонанса описал Галилей в 1602 г.

Если на колебательную систему периодически воздействовать извне, то частота ее стационарных колебаний может совпасть с частотой внешних. В этот момент возникает резонанс – резко возрастет амплитуда собственных колебаний.

Это явление учитывают при создании звуковых устройств, в частности музыкальных инструментов. Скрипка, гитара, фортепиано имеют резонаторы, которыми служит корпус инструмента.

Щипок пальцев или удар молоточка заставит струну колебаться на всех частотах. Колебания, не совпадающие с резонансными, вскоре затухнут.

Как выбрать

Популярность, которую имеет широкополосная колонка у автомобилистов, можно понять по множеству предложенных моделей на рынке. Но при выборе своей идеальной акустики не нужно идти на поводу у нечестных маркетологов.

Среднестатистическая коаксиальная широкополосная колонка имеет один или два кроссовера и пару динамиков. Это позволяет:

• сохранить проход воздуха от основного динамика, обеспечить более живые басы и разборчивые средние частоты;
• расширить частотный диапазон.

Но сегодня на рынке можно встретить что угодно. Начиная от трехполосных, заканчивая шести- и восьмиполосными коаксиальными динамиками. На месте одной небольшой пищалки часто громоздится габаритная головка с несколькими звукоизлучателями. Не стоит соглашаться с не совсем корректным мнением, что «больше полос — лучше». На практике это означает следующее:

• при многополосной фильтрации часто используется только два кроссовера или схема с запараллеливанием контуров;
• головка с несколькими звукоизлучателями в центре основного динамика закрывает пространство прохода звука, что негативно сказывается на его качестве.

Таким образом, гнаться за количеством полос, которые имеет широкополосная коаксиальная акустика для авто, совершенно не нужно

Разумно обратить внимание на технические характеристики

Частота

Производители всегда указывают диапазон воспроизводимых частот. При выборе широкополосной акустики в машину стоит помнить о провалах в нижней и верхней зоне слышимости. Покупать нужно модель с максимально широким диапазоном. Идеально, если его нижний предел меньше 20 Гц, а верхний приближается к 48000 Гц.

Чувствительность

Большинство динамиков для авто имеют чувствительность около 90 Гц. Этого значения достаточно, если планируется сделать в машине действительно хороший звук, устанавливая качественный усилитель. Если же устройство воспроизведения не может похвастаться значительной выходной мощностью, стоит поискать акустику с большей чувствительностью.

Но выбирать рекордные значения, например, 150 или выше, не стоит. В этом случае динамики слишком явно реагируют на различные радио- и электрические помехи, которых в автомобиле предостаточно.

Размер

Размеры широкополосных динамиков выбираются в соответствии с предусмотренными в авто штатными местами для их установки. Большинство владельцев машин следуют именно такой тактике. Пытаться модифицировать области для установки акустики без соответствующего опыта не стоит. Это не только может ухудшить эксплуатационные свойства салона, но и способно привести к снижению качества звука из-за нарушений герметизации и других ошибок.

Номинальная и пиковая мощности

При покупке динамиков в авто стоит ориентироваться исключительно на номинальную цифру. Это значение показывает, при какой подаваемой мощности акустика будет воспроизводить звук без искажений в течение сколь угодно длительного времени.

Пиковая мощность — это предельный режим работы акустики. По стандартам тестирования на производстве, катушка диффузора и другие электросхемы динамика могут выдержать максимальные токи в течение 5 минут. Поэтому рекомендуется игнорировать параметр пиковой мощности и выбирать акустику только по номинальному показателю.

Частота резонанса

Показатель резонансной частоты практически аналогичен срезу сабвуферных систем. Для широкополосной акустики — чем ниже показатель, тем более глубокие басы она способна воспроизводить.

Полная добротность

Данный параметр сугубо физический. Он описывает способность контурного резинового блока диффузора сохранять амплитуду колебаний. По значению полной добротности выбирают динамики для замкнутого пространства, например, устанавливаемые в дверях. Если значение в пределах 0,4–0,6 (низко), звук будет плоский и невыразительный. Поэтому рекомендуется приобретать модели с как можно большей добротностью.

Последний параметр любой акустики — электрическое сопротивление системы, или импеданс. Покупать колонку нужно с таким значением данного показателя, которое указано в техническом паспорте усилителя. Говоря простыми словами, если написано, что система воспроизведения выдает 100 Вт на канал при сопротивлении 4 Ома, именно акустику с данным импедансом надо покупать. Это позволит снизить искажения сигнала и избежать аварийных режимов работы усилителя.

Задний план

Древесноволокнистые плиты средней плотности это обычный материал, из которого изготавливаются корпуса громкоговорителей.

В некоторых отношениях идеальным креплением для низкочастотного динамика была бы жесткая плоская панель бесконечного размера с бесконечным пространством позади нее. Это полностью предотвратит помехи задних звуковых волн (т. Е. гребенчатый фильтр погашения) звуковыми волнами спереди. Громкоговоритель с «открытой перегородкой» является приближением этого, поскольку Водитель монтируется на панели, размеры которой сопоставимы с самой длинной длина волны для воспроизведения. В любом случае драйверу потребуется относительно жесткая подвеска для обеспечения восстанавливающей силы, которая могла бы быть обеспечена на низких частотах за счет меньшего герметичного или перфорированного корпуса, поэтому для такого типа монтажа подходит мало драйверов.

Звуки динамика, генерируемые вперед и назад, не совпадают по фазе друг с другом, потому что они генерируются за счет противоположного движения диафрагмы и потому, что они проходят разные пути, прежде чем сойтись в позиции слушателя. Драйвер динамика, установленный на конечной перегородке, будет отображать физическое явление, известное как вмешательство что может привести к заметному частотно-зависимому затуханию звука. Это явление особенно заметно на низких частотах, где длины волн достаточно велики, чтобы помехи влияли на всю зону прослушивания.

Поскольку бесконечные перегородки непрактичны, а конечные перегородки имеют тенденцию плохо реагировать, когда длины волн приближаются к размерам перегородки (то есть на более низких частотах), в большинстве кабинетов громкоговорителей используется какая-то структура (обычно коробка) для сдерживания не совпадающей по фазе звуковой энергии. Ящик обычно изготавливается из дерева, древесного композита или, в последнее время, пластика по причинам простоты конструкции и внешнего вида. Также использовались камень, бетон, гипс и даже строительные конструкции.

Кожухи могут иметь значительный эффект, выходящий за рамки задуманного, с панелью резонансы, дифракция от краев шкафа и стоячая волна энергия от режимов внутреннего отражения / усиления является одной из возможных проблем. Мешающие резонансы можно уменьшить за счет увеличения массы или жесткости корпуса, увеличения демпфирования стенок корпуса или сочетания обработки стены / поверхности, добавления жестких поперечных распорок или добавления внутреннего поглощения. Wharfedaleв некоторых конструкциях уменьшен резонанс панели за счет использования двух деревянных шкафов (один внутри другого), пространство между которыми заполнено песок. Домашние экспериментаторы даже разработали динамики, построенные из бетон, гранит и другие экзотические материалы по тем же причинам.

Многие проблемы дифракции, помимо низких частот, можно решить за счет формы корпуса, например, за счет исключения острых углов на передней части корпуса. Исследовательские эксперименты 1930-х гг. Гарри Ф. Олсон показали, что изогнутые перегородки громкоговорителей уменьшают некоторые отклонения отклика из-за дифракции звуковой волны. Позже было обнаружено, что аккуратное размещение динамика на перегородке с острыми краями может уменьшить проблемы с откликом, вызванные дифракцией. Иногда различия в фазовой характеристике на частотах, используемых разными драйверами, можно устранить, отрегулировав вертикальное расположение меньших драйверов (обычно в обратном направлении) или наклонив или « пошагнув » переднюю перегородку, чтобы волновой фронт от всех драйверов был последовательный на и вокруг частот кроссовера в нормальном звуковом поле динамика. Акустический центр динамика определяет величину смещения назад, необходимую для «выравнивания по времени» драйверов.

Спектр звукового импульса

Звуковую волну можно разложить на отдельные гармонические колебания. Их совокупность образует спектр.

Спектральный состав тонов представляют на плоскости координат: на оси абсцисс откладывают частоту, а на оси ординат – амплитуду, соответствующую интенсивности гармоники. На основании полученного графика определяют тип спектра.

Спектр звукового импульса раскладывает волну на колебания.

Линейным спектром обладают:

• чистые тоны;
• сигналы, имеющие периодическую форму;
• звуковые эффекты, полученные при сложении периодических волн.

К линейному спектру близки музыкальные сигналы.

Сплошной спектр характерен для шумов и затухающих звуков.

Комбинированный звуковой спектр имеют:

• технические устройства, в которых вращение двигателя накладывает на сплошной спектр дополнительные частотные компоненты;
• клавишные инструменты, когда удары молоточков в них приобретают шумовую окраску;
• человеческая речь с обилием гласных звуков, близких к музыкальным.

Физическая теория акустики

Этот раздел науки изучает особенности звуковых явлений в жидкостях, газах и твердых телах с помощью математических методов.

Обоснуя взаимосвязь звука и среды, он позволяет исследовать объекты окружающего мира с помощью генераторов звуковых сигналов.

Что такое звук

В широком смысле это физическое явление, возникающее при колебании частиц воздуха, твердой или жидкой среды. При этом распространяемые упругие волны воспринимаются органами чувств живых организмов.

В качестве колеблющегося тела могут быть голосовые связки человека, мембрана динамика, струны музыкального инструмента.

В узком смысле звук – это субъективное ощущение от воздействия звуковой волны на ухо. Человек слышит в диапазоне от 16 до 20 кГц. Колебания выше и ниже этих пределов порождают ультра- и инфразвуки. Они находятся вне зоны слышимости.

Мембрана динамика распространяет упругие волны.

Что такое акустика

Это раздел физики, изучающий, как возникают, распространяются, принимаются и обрабатываются звуковые волны. Таким же термином обозначают и систему звуковоспроизводящей аппаратуры, и слышимость в помещении.

Знания физической акустики применяют в технике, искусстве, при изучении земных недр.

Электроакустика связана с устройствами обработки звуковой информации.

Гидроакустика исследует звуковые процессы в водоемах.

В архитектуре рассматриваемая научная дисциплина помогает создавать сооружения с особыми условиями звучания (например, культовые храмы, концертные залы).

Акустика изучает, как возникает и распространяется звук.

Музыкальная акустика – связующее звено между наукой и искусством, позволяющее грамотно использовать музыкальные инструменты и получать при этом положительные эмоции и эстетические ощущения.

Активно развиваются новые направления акустической науки – акустоэлектроника, акустооптика, синтез и автоматическое распознавание речи.

Частотный спектр звука и анализ Фурье

В жизни звуки одной частоты редки. Чаще встречаются сложные звуковые сигналы. Их делят на части – обертоны и гармоники.

Анализ Фурье исследует сложные звуковые сигналы.

Метод разложения звука назвали фурье-анализом, т. к. его впервые применил французский математик Фурье в XVIII в.

Для разложения звукового сигнала строят графики, где показывают зависимость энергии от частоты, и таким образом представляют его частотный спектр.

Основные типы спектра:

1. Дискретный. Его формируют отдельные линии частот, разделяемые пустыми промежутками.
2. Непрерывный. В пределах полосы этого спектра представлены все частоты.

Если звуковые колебания не подчиняются гармоническому закону, человек воспринимает их как сложный сигнал со своим тембром. В нем присутствуют колебания разных частот и амплитуд.

У каждого инструмента обертоны неодинаковые, поэтому звуки тоже получаются разными.

Отражение и прохождение звука сквозь препятствие

Звуковые сигналы способны обходить препятствия (см. свойство дифракции).

Если размер препятствия превышает длину волны, звук отражается или затухает. Позади объекта он не слышен.

При малых объектах сигнал расходится во всех направлениях.

На границе 2 сред (воздушной и твердой) он может:

• отразиться от поверхности;
• не менять направление движения;
• преломиться и перейти в другую среду (см. явление рефракции).

Звук может проходить через препятствие и не менять направление.

В ограниченное помещение попадают как прямые, так и отраженные сигналы: первые идут от источника до приемника (уха), вторые сначала достигают отражающей поверхности, затем направляются к слуховому органу, тем самым удлиняя траекторию движения.

Рефракция звука

В неоднородной среде звуковые колебания могут менять направление в сторону слоя, где скорость меньше. Такое свойство получило название рефракции. Она может наблюдаться в атмосфере, толще земли, в водах Мирового океана.

Температурная

Рефракция в атмосфере зависит от температуры воздуха и наличия ветра.

На высоте 10–15 км от поверхности земли температура воздуха очень низкая, так же мала и скорость звука. Сигналы от земного источника в верхних слоях атмосферы загибаются вверх и перестают слышаться на земле. Образуется зона молчания.

В ночное время иногда возникает температурная инверсия, при которой на высоте более 20 км от земли нагреваются слои атмосферы. Происходит обратное явление: звук поворачивает вниз, многократно отражается от поверхности земли или воды. Формируется зона аномальной слышимости, по площади превосходящая зону молчания.

Рефракция в атмосфере зависит от ветра.

Под водой

Рефракция в толще воды обусловлена:

• ее соленостью;
• температурой;
• давлением.

По горизонтали рефракционная способность слабее, чем по вертикали, и проявляется на очень больших расстояниях, а также в зонах соприкосновения холодных и теплых течений, вокруг айсбергов.

Устройство динамика средних частот

Следующий рассматриваемый тип динамиков для акустической системы – мидренч (среднечастотный спикер). Его функциональная задача – четкое воспроизведение диапазона частот, соответствующих наиболее слышимой нашим ухом части спектра.

Здесь сложности, возникшая в свое время перед инженерами, заключалась в возникновении изгибной волны — деформаций диффузора, природой которого является разная скорость колебаний периферийной и центральной частей. В результате этого негативно сказывается на воспроизведении голосов и других звуков в определенном диапазоне частот.

Отсюда разработчикам необходимо решить два противоречивых требования – диффузор среднечастотника должен быть одновременно легким и жестким, чтобы исключить саму возможность изгибной волны. Это решается поиском соответствующих решений в плоскости «конструкция/материал».

В качестве последнего чаще всего используются стекловолокно, углеволокно, кевлар, целлюлоза с пропиткой различными наполнителями. Реже используется бериллиевые версии мидренча.