2.6. Проектирование громкоговорителей

Начиная с этого раздела, будем рассматривать те .приложения цифровой обработки звуковых сигналов, которые характерны прежде всего для лабораторных условий, как, например, методика измерений при разработке цифровых систем звуковоспроизведения. Приборы для звуковых измерений, как и большая часть всей аппаратуры, связанной со звуковоспроизведением, основывались на аналоговых методах обработки сигналов. Эта аппаратура предназначалась для измерения таких характеристик, как коэффициенты гармонических или интермодуляционных искажений, амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики, импульсный отклик, время нарастания (attack time), время затухания (реверберация). Она почти полностью удовлетворяет нуждам специалистов по звукотехнике, за исключением разработки конструкций громкоговорителей. Конструкции и механизм работы электроакустических преобразователей очень сложные, поэтому их проектирование и изготовление является искусством, хотя и не в такой степени, как это изображают некоторые изготовители.

Характеристики большей части электронной аппаратуры довольно просто измерить. Усилители, например, можно спроектировать так, что они практически не будут вносить в сигнал амплитудных и частотных искажений. Такой элемент звуковоспроизводящего тракта можно назвать прозрачным в том смысле, что он не оказывает на сигнал заметного влияния. Громкоговорители, напротив, очень часто оцениваются субъективно, поскольку почти все они звучат по-разному, а специалисты сильно расходятся в мнении относительно того, как оценивать хорошие и очень хорошие громкоговорители.

Громкоговоритель является устройством для излучения энергии, которое преобразует электрические сигналы в акустические волны в частотном диапазоне шириной 10 октав. Длина звуковой волны изменяется от 10 м до 2 см, т. е. от величины, в 30 раз превышающей размер излучателя, до величины, на порядок меньшей этого размера. Кроме того, громкоговорители обычно создают искажения сложного вида, а их характеристики имеют гораздо большую неравномерность, чем у электрических цепей, подводящих сигнал к акустической колонке. Сложности усугубляются тем, что в отличие от маломощных электроакустических:

преобразователей типа микрофонов громкоговорители оперируют с большими мощностями, иногда порядка сотен ватт. К тому же необходимо знать распределение энергии акустических волн в трехмерном пространстве. Инженерам не удается сделать громкоговоритель «прозрачным» элементом звуковоспроизводящей системы, и поэтому они вынуждены оценивать роль различных акустических эффектов при восприятии звукового сигнала, так как оптимизация конструкции зачастую основывается на субъективных оценках, получаемых путем прослушиваний. В принципе следовало бы учитывать только искажения, заметные на слух. Однака пока не существует единого мнения о том, какие акустические эффекты действительно незаметны если не для всех, то хотя бы для большинства слушателей.

Типичная акустическая система состоит из корпуса и одной или нескольких головок. Головка сама по себе является сложным электромеханическим устройством. Электродинамическая головка, например, состоит из конического или куполообразного-диффузора, к которому прикреплена звуковая катушка, помещенная в магнитное поле. При пропускании через катушку электрического тока на нее действуют электромагнитные силы, приводящие в движение катушку и диффузор, в результате чего создаются акустические волны. На низких частотах диффузор работает как поршень, перемещая сравнительно большой объем воздуха, но на высоких частотах его уже нельзя рассматривать как абсолютно жесткое тело. Если длина волны излучаемого колебания: близка к размерам диффузора, то в нем возбуждаются собственные колебания, причем разные участки колеблются в противоположных направлениях. Такие собственные колебания могут проявляться очень отчетливо и создавать значительную неравномерность характеристик излучателя.

Эту трудность можно преодолеть путем включения в акустическую систему нескольких головок, каждая из которых создает излучение в определенном диапазоне частот. С выхода разделительных фильтров низкочастотные компоненты сигнала подаются на большие низкочастотные головки, среднечастотные — на среднечастотное звено, а составляющие с высокими частотами — на высокочастотные головки. При расчете и конструировании подобных систем следует учитывать, что сигналы с разными частотами излучаются из различных точек, так что интерференция волн может создать серьезные трудности. В связи с направленностью излучателей возникает интересный вопрос: следует ли их проектировать так, чтобы частотная характеристика, измеренная по интенсивности излучения вдоль главной оси, была максимально равномерной, или же в качестве критерия брать полную акустическую мощность? Признанные авторитеты имеют по этому вопросу диаметрально противоположные мнения.

Конструкция корпуса, в который помещаются акустические головки, также очень сильно влияет на характеристики всей акустической системы. Элементы корпуса, крепежные детали и даже другие головки, размещенные здесь же, могут создавать отражения, которые повышают неравномерность частотной характеристики и усложняют вид диаграммы направленности акустической системы. Кроме того, обратная сторона диффузора головки излучает сигнал в глубь корпуса, который отражается от стенок корпуса к слушателю. Все эти явления приводят к очень сильным неравномерностям частотных и фазовых характеристик акустической системы, а оценить влияние этих неравномерностей на восприятие музыки весьма трудно.

Кроме упомянутых линейных эффектов в акустических головках наблюдаются различные нелинейные эффекты, также создающие искажения. Звуковая катушка колеблется в магнитном поле, но это поле неоднородно, и сила, действующая на диффузор, зависит от его текущего положения. Если на вход головки подается большой сигнал, то перемещение диффузора ограничивается элементами его подвески; если излучаемый сигнал имеет широкий спектр, то его низкочастотные составляющие могут порождать доплеровский сдвиг частоты высокочастотных компонент.

При создании громкоговорителя или всей акустической системы нужно применять соответствующую измерительную аппаратуру, которая позволяла бы получать полное описание физических свойств разрабатываемой конструкции. Необходимо иметь также методику для анализа и интерпретации результатов таких изменений. Для этой цели очень подходит цифровая обработка сигналов.

2.6.1. Методы измерений

Измерения характеристик громкоговорителей можно выполнять в частотной или во временной области. Обычно для измерений применяют генераторы качающейся частоты; для устранения искажений частотной характеристики, вызванных отражениями от стен помещения, измерения выполняются в специальных безэховых камерах. Измерения фазы, особенно на высоких частотах, обычно не проводятся как не очень важные. Таким образом, проектирование громкоговорителей в большинстве случаев основывается на неполных измерениях характеристик акустических систем и трудно определить, какое значение имеют характеристики, оставшиеся неизмеренными.

Кроме результатов измерений в частотной области для получения характеристик громкоговорителя можно использовать импульсный отклик, который полностью описывает линейную систему. Однако во избежание перегрузки громкоговорителя амплитуда возбуждающих импульсов в таком случае должна быть

Рис. 2.24. (см. скан) Блок-схема установки для измерения импульсных откликов громкоговорителей. Результаты многократных измерений записываются и усредняются с помощью ЦВМ. (Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехники.)

небольшой. Но при слабом сигнале импульсный отклик заглушается фоновым шумом. Одним из путей преодоления этой трудности является усреднение результатов многократных измерений с помощью цифровой вычислительной машины [121]. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.24.

Исследуемый громкоговоритель возбуждается последовательностью слабых импульсов, а высококачественный измерительный микрофон воспринимает звуковые волны. Сигнал квантуется и записывается в ЦВМ. Процесс многократно повторяется, так что полученный импульсиый отклик является средним по множеству

независимых измерений. Усреднение по 1000 импульсам позволяет понизить уровень шума на 30 дБ. Точность измерений в принципе здесь может быть задана произвольно, необходимо только время для накопления достаточного числа импульсов.

Звуковой импульс приходит к микрофону намного раньше первого эхо-сигнала, отраженного от стен. Это устраняет необходимость применения безэховых камер, поскольку влияние окружающей обстановки начинает проявляться существенно позже, после прихода импульса от исследуемого громкоговорителя.

Рис. 2.25. Импульсный отклик громкоговорителя, полученный методом накопления с усреднением. Средняя и нижняя кривые являются увеличенными вариантами верхней записи и показывают импульсный отклик в более крупном масштабе. (Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехннки.)

Пусть, например, громкоговоритель и микрофон установлены в середине комнаты размером на расстоянии 1 м друг от друга. Тогда первый импульс, отразившийся от стен, будет принят примерно через 9 мс после прихода прямого сигнала. Поэтому запись импульсного отклика следует обрезать до этого момента времени. Пример подобного импульсного отклика, взятый из статьи [121], показан на рис. 2.25. Дополнительное увеличение масштаба по вертикальной оси показывает, что отраженные импульсы существуют в помещении примерно в течение 7 мс. Однако психоакустические свойства данного громкоговорителя без дальнейшего анализа определить невозможно.

Приведенные данные наиболее верно описывают свойства громкоговорителя, причем характеристики громкоговорителя, полученные с помощью импульсного метода, являются более точными по сравнению с данными, измеренными аналоговыми устройствами. В отличие от измерений с применением качающейся частоты в этом случае особенности помещения никак не влияют на результаты измерений, а тонкая структура амплитудной и фазовой

Рис. 2.26. Частотная и фазовая характеристики исследуемого громкоговорителя, полученные вычислением преобразования Фурье от импульсного отклика, приведенного на предыдущем рисунке. Внизу приведены фактическая фазовая характеристика (а) и фазовая характеристика, полученная с помощью преобразования Гильберта от частотной характеристики, рассматриваемой как функция с минимальной фазовой задержкой (б). (Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехники.)

характеристик не смазывается за счет быстрого изменения частоты зондирующего сигнала.

С помощью обычного алгоритма БПФ на основе импульсного отклика можно получить стандартные частотную и фазовую характеристики, подобные приведенным на рис. 2.26. Но, как и прежде, не очень ясно, какое значение имеют различные неравномерности характеристик. Два глубоких провала частотной характеристики на частотах 1,1 и можно скомпенсировать с помощью выравнивающего фильтра, согласованного с этой характеристикой. Поведение характеристики в диапазоне выше не имеет существенного значения, так как данная головка работает в низкочастотном звене акустической системы и на нее не поступают высокочастотные составляющие сигналы. Тем не менее интерпретировать эту характеристику весьма непросто. Для сравнения рядом с измеренной фазовой характеристикой

изображена фазовая характеристика, полученная с помощью преобразования Гильберта от частотной характеристики, которая рассматривалась при этом как функция с минимальной фазой. Расхождение характеристик указывает на существование дополнительных разовых сдвигов, а это означает, что передаточная функция имеет нули в правой полуплоскости. Таким образом, в данном и подобных случаях фазовые характеристики могут иметь существенное значение.

Вследствие большой гибкости алгоритма БПФ можно воспользоваться другими формами представления данных. На рис. 2.27, например, дан интегральный переходной спектр (частотно-переходная характеристика) громкоговорителя. Показан временной ход отклика громкоговорителя на разных частотах. Такой спектр получается, если запитать головку синусоидальным сигналом с постоянной амплитудой, а затем резко выключить сигнал и регистрировать процесс затухания акустических колебаний. Измерения повторяются на всех частотах. Из рис. 2.27 видно, что огибающие на разных частотах ведут себя по-разному. Распределение энергии по спектру при внезапном отключении питающего сигнала отражает индивидуальные особенности громкоговорителя гораздо отчетливее, чем частотная и фазовая характеристики или

Рис. 2.27. (см. скан) Частотно-переходная характеристика исследуемого громкоговорителя. Данное представление позволяет демонстрировать одновременно спектральные и временные зависимости. «Хребты», появляющиеся в определенные моменты времени, указывают на возникновение когерентных отражений; «хребты» на определенных частотах указывают на существование резонансов, которые в стационарном состоянии могут быть не видны. (Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехники.)

Рис. 2.28. (см. скан) Волновые фронты, создаваемые шестью различными высокочастотными акустическими головками при возбуждении импульсом колоколообразной формы [130]. (Перепечатано с разрешения Общества звукотехники.)

импульсный отклик. Вычисление интегрального переходного спектра проводится с использованием БПФ импульсного отклика, но результат получается таким же, как при измерениях с отключением гармонического питающего сигнала.

Анализ переходного спектра выявляет в нем вполне определенные особенности. Максимум отклика, появляющийся через 0,8 мс после выключения сигнала, по всей видимости, связан с отражением от задней стенки акустической колонки. Высокий уровень спектральной плотности на частоте 3,8 кГц, наблюдаемый по истечении 2 мс, указывает, что диффузор, по-видимому, сильно резонирует на этой частоте. Отметим, что этот резонанс наблюдается и в установившемся режиме, но там он поднимается выше общего уровня частотной характеристики всего на несколько децибел. В концевой части переходной характеристики этот резонанс оказывается доминирующим. Подобный способ изображения

характеристик громкоговорителя представляется удачным, так как ухо является спектроанализирующей системой, различающей распределение звуковой энергии по спектру только за короткие интервалы времени. Из обычной частотной характеристики не видно, как распределяется энергия по спектру во времени, а в интегральной характеристике это можно проследить.

Практическая ценность вышеупомянутых методов измерения еще не выяснена. Одним из способов проверки справедливости результатов интерпретации данных является моделирование на ЦВМ. Характеристики громкоговорителя можно изменять, используя ЦВМ как цифровой фильтр, или же можно обрабатывать на ЦВМ записанные отсчеты музыки с учетом задаваемых изменений импульсного отклика, а потом сравнивать акустические эффекты, обусловленные этими изменениями.

Из-за того что данный метод совсем новый, и, возможно, по коммерческим соображениям соответствующие сведения пока не опубликованы. Однако этот метод является многообещающим. Кроме того, можно применять ЦВМ для графического изображения информации. На рис. 2.28 показаны волновые фронты, создаваемые шестью различными высокочастотными головками, возбуждаемыми импульсом колоколообразной формы [130]. Различия вполне очевидны, но пока не совсем ясно, как их интерпретировать.