Анатомия акустических систем: контрапертурные АС — преимущества экзотики против серийного рационализма +10

- такой же как Forbes, только лучше.

В нашем блоге ещё не поднималась тема архиредкого, экзотического типа акустических систем — известных как контрапертурные. Говоря откровенно, я смутно себе представлял, что это такое, зачем оно нужно и с чем его “едят”. Поэтому пришлось изрядно погуглить. Среди источников нашлись пара форумов, две научные статьи и один патент. Между тем, у меня есть желание охватить в этом цикле все существующие типы АС, и поэтому я решил не обходить эту бесспорно интересную тему стороной.



В Википедии и других источниках контрапертурные АС представляются как пример экономически и серийно необоснованных решений для пресловутого High End. Приверженцы контрапертурных АС считают их несправедливо забытой эволюционной ветвью звуковоспроизводящих устройств, позволяющих получить всенаправленное излучение и массу других замечательных эффектов невозможных при использовании другой архитектуры. Под катом подробно о контрапертурной акустике.

Как работает?


Сам термин “контрапертура” чаще используется в оптике, где обозначает соосно расположенные излучающие свет отверстия. В акустике смысл немного меняется, и вместо отверстий следует понимать громкоговорители.

Акустическое оформление в таких АС предполагает размещение двух идентичных динамиков (и тут величины, которыми можно пренебречь, становятся очень малы) строго друг напротив друга и их синфазное включение. Важно, чтобы излучатели не имели фазовых задержек и частотных отличий (это в разы увеличивает стоимость компонента). При соблюдении этих условий волны от противонаправленных динамических головок контрапертурной АС излучают результирующую волну со сферическим фронтом (т.е, фактически, представляют собой всенаправленный излучатель).



Эти принципы контрапертурного излучения были описаны в работе Л.В. Головкиной “Creation speakers in all sides direction in acoustics”. Там отмечалось, что можно определить оптимальное расстояние между соосно расположенными динамиками для появления эффекта всенаправленного излучения.

“Это расстояние определяется углом раскрыва диаграммы направленности головки и суммарным звуковым давлением, создаваемым на некотором расстоянии от головки при подведении определенной мощности.“ (Головкина)



Контрапертурная и полуапертурная АС
1, 2 – корпуса для широкополосных головок (3), отражающая пластина — 4.

Также известны т.н. полуапертурные АС, где вместо второго излучателя применяется специальная пластина. Принцип остаётся близким, с той лишь разницей, что эффект достигается с использованием отраженных волн.

Эксперты отмечают незначительные различия в результирующих волнах при использовании контрапертурного и полуапертурного излучения.


Результаты измерения АЧХ полного контрапертурного излучателя
(сплошная линия – 1) и полуапертурного (пунктирная линия – 2)


Зависимость усредненного уровня звукового давления излучателей от расстояния
1 – два контрапертурных излучателя; 2 – две обычные системы (стереопара);3 –
одна обычная акустическая система; 4 – один полуапертурный излучатель; 5 –
два полуапертурных излучателя; 6 – один контрапертурный излучатель.

Сходство было подтверждено в работе Головкиной Л.В., Умярова Р.Я. “Исследование контрапертурных излучателей в акустике”, которые были проведены в Харьковском национальном университете радиоэлектроники.

Зачем и как это используют?


В отличии от многих нерациональных, бессмысленных, коммерчески спекулятивных решений в High End, применение контрапертурного излучения имеет как физическое, так и психоакустическое обоснование. Описаны эффекты, сказывающиеся на верности воспроизведения.

Диаграмма направленности
При взаимодействии волн соосно расположенных динамиков звуковое давление создаётся в воздушном “столбе” между ними. Возникает т.н. “монополь давления” или точка всенаправленного излучения. Таким образом расширяются вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности.


Логично, что при использовании всенаправленного излучения зона комфортного прослушивания увеличивается. Соответственно, нет необходимости в поиске “вершины треугольника” для создания корректной стереопанорамы и правильного расположения КИЗ (кажущихся источников звука). Таким же образом решается проблема “дальней зоны”, в которой прослушивание становится более комфортным.

На форумах доводилось встречать аргументы из серии:
“Таким образом увеличится количество отражений, звук станет кашей и диаграмма направленности будет не нужна!”

Хочу отметить, что отражения бесспорно будут, как и при использовании АС с классической архитектурой. Соответственно, без акустической обработки помещения обойтись будет нельзя. При этом у классических АС отражений никак не меньше, просто они неравномерны и точно также требуют соответствующих решений в отделке стен и т.п.


Немного о доплеровской интермодуляции


Практически все, кому доводится писать о контрапертурной акустике, упоминают о допплеровской интермодуляции. На сайте “Основы акустики” этому термину дано следующее определение: “Фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука”.

Если упрощенно, то причиной этих искажений является изменение расстояния от мембраны громкоговорителя до слушателя. Любой драйвер с электромеханическим принципом излучения (динамик, изо (орто)динамик, электростат и т.п.) не избавлен от этого недостатка при классической архитектуре системы.

Считается, что высокая чувствительность слуха к доплеровской интермодуляции обусловлена нейропсихологически. На ней основан механизм определения расстояния до тех или иных объектов с помощью слуха. Такая способность слуха развивалась эволюционно как индикатор вероятной опасности (движущегося объекта). По этой причине даже незначительные изменения расстояния от мембраны динамика до уха могут восприниматься на слух, создавая эффект естественного фленжера (приближающийся/удаляющийся поезд).

В случае с контрапертурными излучателями источник излучения (“монополь давления”) является статичным, и не перемещается, соответственно, и эффект флэнжера доплеровской интермодуляции не возникает.

Гипотеза психоакустического комфорта
Ряд авторов отмечают “высокую естественность” и “субъективный психологический комфорт” от музыки, воспроизведенной через контрапертурную акустику. Утверждается, что причиной этих эффектов является отсутствие описанного выше изменения расстояния.

Иными словами, постоянно движущийся взад-вперед объект воспринимается мозгом как более опасный (на уровне базовых рефлекторных реакций), а неподвижный — как менее опасный. Такие суждения остаются гипотетическими и пока не нашли экспериментального подтверждения, но популярны как среди меломанов, так и среди исследователей психоакустики.

Сухой остаток: достоинства и недостатки


Итак, достоинства:

  1. Всенаправленность излучения.
  2. Круговая горизонтальная и широкая вертикальная диаграммы направленности.
  3. Отсутствие доплеровской интермодуляции.
  4. Гипотетический рефлекторный комфорт (не подтвержден).

Специфическими недостатками контрапертурных АС считают:

  1. Сложности с точным соосным размещением динамиков.
  2. Отсутствие экспериментальных данных по базовым характеристикам многополосных контрапертурных АС.
  3. Усложнение конструкции АС, особенно в случае использования многополосной схемы и, соответственно, снижение технологичности.
  4. Подбор пар громкоговорителей со строго идентичными частотными характеристиками.
  5. Снижение допустимой технологической погрешности при монтаже излучателей и отражателей.
  6. Увеличение себестоимости (необходимость в использовании дополнительных громкоговорителей и отражателей).

И как следствие всего перечисленного выше — астрономическая цена.


Эти недостатки сделали контапертурную акустику, пожалуй, самым непопулярным типом АС для массового производителя. Кроме того, как и для любой другой акустической системы, для контрапертурных моделей характерны такие распространенные проблемы, как резонансы корпуса, кривая АЧХ, THD, IMD, проблемные фильтры, которые “крутят фазу” и пр.

Итог


Самым заметным и наиболее ценным эффектом контрапертурных АС является расширение “зоны комфорта” при прослушивании, за счет круговой диаграммы направленности. Доплеровская интермодуляция и гипотетический психоакустический комфорт — это очень красивые, но мало убедительные аргументы в пользу таких АС.

Как мне представляется — это одни из наименее заметных проблем, которые могут существовать в акустических системах. По моему опыту, эффект фленджера становится по-настоящему существенным при расстояниях от нескольких метров (приближающийся поезд), что вряд ли сравнимо с колебаниями мембраны динамического громкоговорителя. А гипотетическая опасность движущихся объектов, полагаю, спорный теоретический аргумент.

Справедливости ради хочу отметить, что немало людей не разделяют мою точку зрения и утверждают, что доплеровская интермодуляция серьезно портит звук. Слепых тестов, ввиду редкости такой акустики, проводить и наблюдать не приходилось. Если у читателей есть сведения по поводу заметности этих эффектов и “уникальном комфорте“ при прослушивании контрапертурных колонок — буду признателен за Комменты.

При всей первоначальной привлекательности идеи, всё портит конечная стоимость продукта, которая увеличивается ещё и в связи с тем, что сам продукт — экзотическая редкость. На современном рынке аудио мне известно 2 серийных производителя.

Джинса
В нашем каталоге представлен широкий ассортимент акустических систем высокой верности воспроизведения.

Ссылки
Использован фотоконтент:
onliner.by
baseacoustica.ru
www.bolzano-villetri.com
RadioRadar.net
www.sworld.com.ua

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (19):

  1. AVKinc
    /#10546211 / -1

    Всенаправленность излучения это такое довольно таки спорное преимущество.
    Собственно, звук должен идти в сторону слушателя, который находится явно перед АС, для чего излучать в стену назад — загадка, качество от этого явно ухудшится.

    • Sound_cULT
      /#10546217

      Всенаправленность излучения это такое довольно таки спорное преимущество

      Объективный плюс- это расширение диаграммы направленности

      качество от этого явно ухудшится

      Что именно произойдёт с качеством? Мне не удалось найти сведений о том, что создание сферической результирующей волны пагубно бы влияло на верность воспроизведения (если вы его понимаете под качеством).

      звук должен идти в сторону слушателя

      Он и идёт, причем без разницы где в данный момент находится слушатель… что не так?

    • Arson
      /#10546397

      Все низкочастотники, особенно компактные — по определению всенаправленные, что-то никто не жалуется на это :)

  2. AVKinc
    /#10546297

    Ну требуется большая мощность для создания необходимого звукового давления в районе слушателя (вполне очевидно, что с увеличением мощности качество ухудшается), то что прилетит в стену и мебель отразится от них и создаст доп искажения. Понятно, что этого будет немного и может мы и не почувствуем, но ведь это будет.
    Стерео детализация будет хуже видимо.
    Правы в википедии имхо.

    • Sound_cULT
      /#10546407

      Я попробую поработать адвокатом дьявола этой акустики, хотя сам настроен достаточно скептически.Просто ради дискуссии.

      Стерео детализация будет хуже видимо.
      /
      Сорри, но я не знаком с таким критерием качества как «Стерео детализация». Если не секрет какие проблемы будут со стерео и почему?

      то что прилетит в стену

      А в чем отличие от того, что прилетает в стену от традиционной акустики?

      Правы в википедии имхо.

      Это может быть. Но там больше про цены.

      • AVKinc
        /#10546427

        Стереобаза, разделение каналов, позиционирование источника звука, вы же очевидно поняли про что я. Чем шире диаграмма направленности АС, тем сильнее смешаются каналы и разделение стерео будет хуже, очевидно же.
        Когда на студии сводят альбом (я так думаю конечно) ориентируются на звучание классических АС.

        • Sound_cULT
          /#10546445

          Чем шире диаграмма направленности АС, тем сильнее смешаются каналы и разделение стерео будет хуже, очевидно же.

          Я вспомню о нейрофизиологии и о том как формируются стерео образы и чтобы не «городиить огороды» прибегну к цитированию:
          В случае стереокомплекта мы имеем два монополя, а работу по преобразованию разностей двух каналов выполняет природа (принцип «Гюйгенса») и ваш мозг. При включении двух каналов не образуется какой-то особой области давления, в которой расположились две точки. Всю работу по локализации источников выполняет наш слуховой аппарат, а уже задача звукорежиссёров «обмануть» уши, применяя смещение фаз, задержки и изменения отношения громкости, чтобы получить необходимые образы.
          (с) Основы акустики
          Обидно, когда всё написали до тебя((

  3. ProLimit
    /#10546335

    Если задача расширить зону комфортного прослушивания — то нужно делать полусферическую диаграмму направленности с уменьшением по векторам вверх и вниз (зачем нам переотражения от потолка и пола). А тут излучаем половину мощности назад, а там стоят звукопоглотители — какой смысл? ИМХО, обычные колонки и так имеют достаточно широкую зону комфорта. А точку в центре нужно искать из-за фазовых расхождений из за разных длин пути — так и при точечных истониках эта проблема остается.

    • Sound_cULT
      /#10546415

      Если задача расширить зону комфортного прослушивания — то нужно делать полусферическую диаграмму направленности

      Я к сожалению не знаю какие технические решения позволяют «полусферическую диаграмму».

      А точку в центре нужно искать из-за фазовых расхождений из за разных длин пути — так и при точечных истониках эта проблема остается.

      Тут моя недоработка, так как в статье, помоему, Головкиной или сопроводительных документах патента было описано(короче в одном из источников), что при определённом размещении таких излучателей проблема фазовых расхождений пропадает, и, да дело не только в свойствах результирующих волн точечных источников, но их размещении относительньо друг друга. Если снова накопаю, брошу пруф, там вроде даже формула рассчета была.

      • ToSHiC
        /#10546443

        Я к сожалению не знаю какие технические решения позволяют «полусферическую диаграмму».

        Аккустические линзы, NBang&Olufsen регулярно с ними заигрывает:
        imagehttps://i.pinimg.com/564x/3e/f0/7a/3ef07ae3f02828933e934df004d0f5b3.jpg

        • Sound_cULT
          /#10546449

          Да, равно как и сполуапертурными АС. Они один из двух серийных производителей.

  4. volk0001
    /#10546649

    Скажите, чем обоснована высокая цена полуампертурных колонок? На первый взгляд, ничего сверхсложного в них нет.

    • Sound_cULT
      /#10546827

      Прецизионностью совпадений характеристик парных динамиков и соответственно их стоимостью, низкими погрешностями при сборке. Иными словами высокой стоимость деталей и низкой технологичностью производства (автоматизировать производство сложно и дорого, подгонять нужно до миллиметра, если не до микрона), ну конечно маркетинг (у контор которые их делают стратегия престижных цен — ибо High End)

      • slovak
        /#10547051

        Вопрос был о полуапертурных системах. В них проблемы с подбором идентичных элементов нет. Но, видимо, точная геометрия отражающей пластины и её материал может сиграть какую-то роль в ценообразовании.

        Я же считаю, что стоимость аудиофильных вещей слабо корелирует со стоимостью материалов и технологий. Скорее пара психологий, потребителя и рынка, является здесь главенствующим фактором.

        • Sound_cULT
          /#10547199

          Прибегну к самоцитированию)

          ну конечно маркетинг (у контор которые их делают стратегия престижных цен — ибо High End)

          У нас на эту тему даже материал был geektimes.ru/company/pult/blog/282746

  5. Krapiv
    /#10546771

    Откуда вывод что не надо искать "вершину треугольника"?
    Стереоэффект достигается на равном рассточнии от динамиков, т.е. в вершине равнобедренного треугольника. Приведенные в статье АС этот принцип не отменяют. Но зато вершин две — впереди и позади. Строго говоря, речь не о вершинах, а о прямой, проходящей между АС.

    • Sound_cULT
      /#10546813

      АС излучают волну со сферическим фронтом, благодаря чему равномерное поле «чистого» звука становится шире (диаграмма направленности) и критичность отражённых от стен волн, искажающих сигнал меньше (равная длинна излучаемых волн).
      В отличие от классических АС, в контрапертурных волны рождающие первые отражения такие же как достигающие наших ушей и соответственно при смещении из «вершины» треугольника влияние отраженных волн будет менее заметно (в силу меньших искажений).

  6. Mulin
    /#10546935

    Самый главный недостаток — фазолинейность, точнее ее отсутствие, так и не указали. У меня Техникс 1060 с пассивным излучателем точно так же из низов делает кашу как и конструкция выше. В итоге звук отдельно, низы отдельно.

    • Sound_cULT
      /#10547045 / +1

      Не соглашусь. Самый главный недостаток — цена).