Особенности автомобильных аудиосистем

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Виктор Попович, г. Калуга.
В статье рассматриваются недостатки серийных автомобильных аудиосистем и пути улучшения их звучания.

Основная причина, которая только усугубляет ненависть аудиоинженеров к автоконструкторам, -это экономия последних на каждом центе себестоимости и сотрудничество при этом почти исключительно с производителями аудио-аппаратуры отвратительного качества (Bose, Nokia и т.п.). Это можно объяснить разве что коррупционными мотивами, ведь стоимость таких аудиосистем в списке опций у дилеров в разы выше, чем стоимость аналогичных систем, но приобретаемых на свободном рынке.
Стандартные автомобильные УМЗЧ
Под стандартными, здесь и далее, подразумеваются аудиоустройства, устанавливаемые в автомобиль на заводе-изготовителе, либо встраиваемые в него на СТО авторизованных дилеров.
Немного поговорим об оконечном усилителе (УМЗЧ), выполненном, как правило, на ИМС. Даже один взгляд на эту микросхему может вызвать положительные эмоции только у компьютерщика, которому чем выше степень интеграции, тем лучше. На самом деле компьютерные микросхемы с миллионами транзисторами внутри, каждый из которых потребляет доли микроампера в режиме переключения и наноамперы в ждущем режиме - это совсем другое. Звуковые устройства работают не в переключательном режиме, а в непрерывном с невысоким КПД, в котором самое главное - это внесение минимума искажений.
Произведем расчёт: возьмем усилитель с выходной мощностью 50 Вт. КПД такого усилителя в среднем около 50%. Значит, в общей сложности он потребляет 100 Вт - одна половина уходит через провода на динамик, другая греет воздух. При напряжении питания 12,6В это означает, что потребляемый ток будет:
I = P/E = 7,9A,
где:
Р – мощность.
Е - напряжение питания.
Это приличный ток, столько потребляет пара штатных ламп ближнего света. Четырехканальный усилитель будет требовать до 32 А. Это уже большой ток. И предохранитель там должен быть специальный, и провод должен быть толстый, чтобы не расплавиться. А теперь посмотрите на предохранитель, болтающийся на тонюсеньком шнурке, выходящем из корпуса магнитолы, - может он такой ток пропустить? Нет, на нем честно написано 10 А, реже 15 А. Значит, врут производители головных устройств? Да, врут, притом нагло и бессовестно. Засудить бы их всех за обман покупателей. Еще раз взгляните на микросхему сороконожку УМЗЧ - ведь внутри нее не 4, а все 8 каналов усиления. Возьмем формулу, по которой можно вычислить выходную мощность идеализированного двухтактного бестрансформаторного транзисторного усилителя:
P = E2/8R,
где:
R - сопротивление звуковой катушки громкоговорителя.
А вот Е еще на самом деле нужно умножить на коэффициент, меньший единицы, который учитывает неполное использование напряжения питания, например, падение напряжения на открытом коллекторном переходе транзистора и коэффициент усиления оконечного каскада, который в распространенных схемах тоже меньше единицы. Из нее следует, что мощность усилителя не может превышать (при наиболее распространенном сопротивлении 4 Ом и напряжении питания 12,6 В) 4 Вт (и то это, так называемая, «максимальная», а потому сильно искаженная мощность).
Поэтому усилители подключают в «мостовую схему», т.е. такую, в которой динамик подключен между выходами двух противофазно включенных усилителей, т.е. так, что когда на выходе одного усилителя сигнал начинает возрастать, то на выходе другого он начинает убывать. Если коэффициент использования питающего напряжения равен 1, то мощность должна возрасти в 4 раза. В действительности только у самых мощных тщательно спроектированных усилителей это увеличение будет 3,7 раза, что очень большая редкость, обычно 3-3,2, а то и вовсе 2-2,5 раза. Итак, видно, что миниатюрный интегральный усилитель современного головного устройства может развить мощность от силы 10... 12 Вт (рис.1).

Еще раз возьмем микросхему, распилим её корпус и увидим золотые нити, идущие от полупроводникового кристалла к выводам, и еще раз засомневаемся в способности этого усилителя выдать нормально хотя бы эти 12 Вт. Для примера, поставим рядом дискретный мощный транзистор, которые в любом настоящем УМЗЧ россыпью припаяны к печатной плате, а иногда такие транзисторы по габаритам больше всей микросхемы. В данном случае успехи микроминиатюризации вовсе не означают успехов в качественном звуке, скорее, наоборот.
Стандартные автомобильные аудиосистемы
Чем больше занимаешься озвучкой автомобилей, тем больше понимаешь, что автоконструкторы - наши враги. Все, что они делают, идет нам, аудио инженерам, во вред. Например, для улучшения аэродинамики сильнее наклонили лобовое стекло - стало больше торпедо, но непропорционально, в некоторых машинах, например в Audi TT, оно нависает уже над сиденьем. Стали комплектовать кондиционерами - и внутреннее пространство торпедо больше утыкано воздуховодами, чем местами для акустики. EuroNCAP стало практиковать в своих краш-тестах боковой удар, и поперечные напольные балки стали толще и шире, мешая устанавливать ящики АС.
Последняя пакость, придуманная ими для аудиоинженеров, - для снижения издержек лобовые стекла легковых автомобилей стали делать почти прямыми, без изгибов. Это сразу создает проблемы с созданием качественной стереопанорамы. Поэтому АС приходится устраиваться в том пространстве, которое для них оставляют.
Чаще всего заводские установки предполагают установку источника звука (CD-ресивера, либо приемника с МРЗ плеером и входом USB часто дополненного видео и навигационной системами) с многоканальным усилителем, чаще всего 4-каналь-ным, интегрированным с головным устройством, но количество каналов достигает и 14 в отдельных дополнительных блоках, установленных в багажнике. Нагружено это все впереди на динамики, установленные в дверях, в некоторых, например BMW, в двери стоят по 3 динамика (для низких, средних и высоких частот), сзади их ставят, чаще всего, на заднюю полку седана, реже в двери или в обрамление подъемной полки хетчбека.
В дорогих седанах иногда дополнительно к установке в задние двери ставят в полку 2 или 4 пяти- или шестидюймовых динамика для улучшения звучания баса. Этим списком практически исчерпывается фантазия заводских конструкторов. Звучит это всё всегда отвратительно за одним-единственным исключением - Lexus LS-400 1990-х годов со стереосистемой производства Nakamichi.
Стандартная автомобильная акустика
О ней много говорить и не стоит. Достаточно ее демонтировать и визуально сравнить с любой приличной акустикой. В первую очередь бросается в глаза разница в размере магнита, а ведь мощность магнита определяет большинство параметров динамика.
Есть основная формула расчета чувствительности громкоговорителя, которая пропорциональна индукции в рабочем зазоре (а это напрямую зависит от размера магнита), длине провода в катушке громкоговорителя, площади диффузора и обратно пропорциональна массе подвижной системы. Все это умножается на сложный коэффициент, содержащий под знаками радикала добротность (в сущности, мощность магнита) и основной резонанс в свободном пространстве и в выбранном объеме.
Чувствительность - это звуковое давление, развиваемое громкоговорителем при подведении к нему определенной мощности. По советским гостам измерялась в паскалях на квадратный метр при мощности 0,1 Вт, сейчас в акустических децибелах при мощности 1 Вт.
Чем же играют разработчики для увеличения этого параметра? Увеличивают размеры магнита -становится неподъемным динамик, притом дороже, применяют более эффективные магнитные сплавы для магнита - подскакивает цена, сужают зазор, в котором движется катушка, значит, меньше диаметр провода - меньше будет мощность, а при больших амплитудах будет задевать проводами за магнит. Увеличить длину провода - увеличится подвижная масса, а это снижает то, что мы пытаемся увеличить. Увеличить отношение диаметра диффузора к его массе - нужно делать более тонкий диффузор, а как при этом обеспечить низкую резонансную частоту и снизить изрезанность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)?
Это только часть проблем выбора параметров, стеной стоящих перед разработчиками громкоговорителей. Например, среди любителей-самодельщиков считается, что легкий бумажный диффузор - это хорошо, ведь тогда диффузор будет быстрее откликаться на действие электромагнитного поля, что благоприятно отразится на таком «слушательском» параметре, как «микродинамика». Хорошо-то хорошо, но ничего хорошего.

Диффузоры штатных автомобильных динамиков (рис.2) прессуются из целлюлозной массы одновременно с гофрированным подвесом и воротником (плоской шайбой, которой подвижная часть приклеивается к диффузородержателю, который еще иначе в просторечье именуется «корзиной»). Это обеспечивает минимальную себестоимость, но, оказывается, снижает качество.
На самых низших частотах диффузор колеблется вместе со звуковой катушкой как единое целое, и АЧХ получается ровной. С повышением частоты из-за ограниченной скорости звука в материале диффузора он перестает быть монолитом, и различные его участки начинают колебаться самостоятельно. Поглощение энергии этих колебаний в целлюлозе невелико, волны проходят через подвес к диффузородержателю и отражаются от него. Усугубляет ситуацию и наличие коаксиально установленного в мидбас динамик СЧ-ВЧ излучателя (рис.3).

Отраженные и прямые волны образуют стоячие волны, из-за чего на АЧХ возникают глубокие пики и провалы, нередко превышающие 10 дБ. При этом возникают структурные призвуки, когда отдельные участки диффузора излучают на собственных частотах, которые обеспечивают появление пиков на АЧХ, высота которых порой может достигать и все 20 дБ.
Во-первых, борются с этим применением подвесов с высокими потерями на вязкое трение, чаще всего из резины и резиновой «пены». (Понятно, что под словом «резина» имеются в виду современные полимерные материалы).

Второй способ улучшения линейности АЧХ -это применение материалов диффузора с повышенным внутренним затуханием. Так, например, динамики Пауэрампер серии SP имели диффузор из смеси целлюлозы с тонкой шерстью и пропиткой авторской медленно сохнущей мастикой. В результате не было динамиков, равных этим SP по качеству звучания. Ровный характер АЧХ обеспечивает, например, полипропилен, который первоначально был применен в автомобильной акустике из-за стойкости к атмосферным воздействиям. Но в наиболее высококачественных громкоговорителях используются довольно дорогие смеси натуральных и полимерных материалов.
Еще одним важным фактором является величина рабочего хода катушки. Звучание динамика является неискаженным только тогда, когда одно и то же количество витков звуковой катушки находится в зоне равномерного распределения силовых магнитных линий. Если взглянуть на динамик, то чаще всего кольцевой ферритовый магнит находится между двумя железными шайбами, из которых верхняя, находящаяся ближе к диффузору, и определяет упомянутую зону. Практически всегда длина звуковой катушки больше толщины этой шайбы.
В публикациях, посвященных конструкциям динамиков, упоминаются и другие варианты, но они в промышленности не применяются. Так вот, рабочий ход звуковой катушки не может быть больше половины разницы между длиной катушки и толщиной шайбы. Большой ход - это хорошо для снижения искажений и повышения отдачи на низких частотах: чем больше ход, тем ниже нижняя граница воспроизводимых частот и больше предельно достижимая громкость. Но большой ход - это плохо, так как из-за недоиспользования всей длины катушки происходит потеря КПД. Дешевые динамики имеют малый ход, что позволяет на небольших мощностях иметь высокий КПД даже с маленькими магнитиками. Но стоит только подать больше мощности или более низкие частоты, так сразу катастрофически начинают расти искажения.
Итак, что из всего вышесказанного вытекает? То, что в автомобильной аудиосистеме должен присутствовать отдельный усилитель и приличного качества динамики. Достаточно ли этого для качественного воспроизведения музыки? Оказывается, что нет. Оказывается, что не учтено еще два фактора - адекватное воспроизведение баса и построение стереопанорамы («звуковой сцены»).
Воспроизведение баса
Проблему воспроизведения баса разделим на два подпункта. Первый придется начать с понятия «добротности». Добротность контура означала повышение напряжения в колебательной системе на частоте резонанса, что очень важно, например, в радиоприемниках. Там добротность колебательных контуров достигает десятков и даже сотен. Благодаря этому, например, нам удается среди миллионов источников помех поймать сигнал именно «нашего» сотового передатчика. А вот для резонансной системы, которой является динамик, высокая добротность только вредит. Так, при добротности, равной или больше единицы, динамик помимо сигнала, подаваемого на него, будет излучать призвуки - сигналы с частотой, равной половине подаваемой частоты, а также сигнал с частотой, равной резонансной частоте динамика. Причем из-за того, что эти призвуки не находятся в целочисленном соотношении с музыкальным сигналом, они будут отчетливо слышны и будут портить звук, создавать эффект бубнения на одной ноте. При высокодобротной подвижке динамик будет излучать только частоты, близкие к резонансной частоте. К счастью, для равномерного излучения частот выше резонансной, амплитуда должна падать с повышением частоты. Это счастливое явление обеспечивает ровную АЧХ, чему, впрочем, мешают явления, рассмотренные ранее. Но требуемое увеличение амплитуды движения диффузора при подаче все более и более низкочастотных звуков достаточно быстро упрется в рассмотренное выше предельное смещение диффузора и не позволит создать адекватное звуковое давление. Проблема решается просто, но дорого -установкой дополнительного динамика со значительно большей площадью диффузора и большим его ходом (рис.4) и, соответственно, с дополнительным каналом усиления. Такой динамик называется сабвуфером.

Вот так в нашей аудиосистеме появился новый элемент, притом весьма недешевый. Если считать стоимость системы вместе со стоимостью всей инсталляции, то для низко- и среднебюджетных систем стоимость введения в нее сабвуфера составит примерно столько же, как и вся предыдущая система, а зачастую и больше.
Правильный бас и стереопанорама
Эти элементы рассматриваются вместе потому, что имеют неразрывную взаимосвязь, как ни странно это звучит. Как традиционно устанавливались динамики в автомобили (как, впрочем, зачастую и сейчас)? Либо в двери, либо в торпедо. Установка в торпедо имеет ряд недостатков. Так, торпедо представляет собой открытый ящик с малой отдачей на низких частотах, да и в звуковую сцену вносит огрехи. При дверной установке динамики смотрят друг на друга, т.е. работают в противофазе. Из-за того, что динамики расположены на расстоянии 1,2...1,4 м, противофазное соотношение возникает на целом ряде частот. В результате на АЧХ образуются провалы на частотах в диапазоне 100...300 Гц. А это область самых важных для баса обертонов.
Напомню важные факты, связанные с этим. Любой реально существующий музыкальный звук не является простым. Звук даже единственного инструмента, не аккорд, состоит, как минимум, из основного тона и набора обертонов, высота которых относительно основного тона примерно соответствует натуральному ряду чисел 1, 2, 3 и т.д. В момент звукоизвлечения, называемый атакой, сначала появляются обертона, а уже потом основной тон, потом основной тон растет, а обертона затухают, начиная с высших. Вот этот набор обертонов называется спектром. Закон изменения спектра во времени называется тембром.
У целого ряда инструментов в спектре присутствуют шумовые компоненты, а в металлических ударных каждый следующий обертон отдаляется все больше от частот, кратных целым числам, умноженным на частоту основного тона. При этом сами частоты обертонов не остаются постоянными, а плывут по частоте. Все это вместе взятое и составляет отличие живого звука от электронного: мертвого, однообразного и скучного.
Вернемся к басу и стереоэффекту. Считается, что нельзя определить направление на источник звука, если его частота ниже 300 Гц. Нынешние радиолюбители-самодельщики берут сабвуфер, соединяют его с кроссовером (разделительным фильтром), выставляют на нем частоту 300 Гц, включают музыку, слушают и говорят: «Ну, как же, я прекрасно слышу направление на него». При этом забывают, какие фильтры применяются. А это в лучшем случае 12 дБ/октава, т.е. звук с частотой 600 Гц будет ослаблен всего в 4 раза, а 1200 Гц, находящийся в области наивысшей чувствительности слуха - всего в 16 раз. С учетом нелинейной АЧХ слуха - это немного, слух эти частоты слышит уверенно и локализует точно.
А в корректных опытах основоположников акустики использовалась не музыка, а чистый синусоидальный тон от генератора. Локализации в этом случае действительно нет. Эта частота раздела (300...400 Гц) используется в домашних трехполосных колонках (настоящих, с большими «басовиками» диаметром 25...30 см). И это правильно, потому что здесь находятся самые «вкусные» обертона басовых звуков, определяющие их тембр, рельеф, артикуляцию и энергетику. В автомобиле мы вынуждены нарушать эту идиллию из-за невозможности размещения в передней части салона автомобиля пары излучателей, эффективно воспроизводящих частоты во всей необходимой полосе, начиная с 20 Гц. Поэтому приходится басовую полосу (от 20 до 315 Гц) делить.
Обычно частоты от 20 до 80 Гц играет специальный большой длинноходный сабвуфер в багажнике автомобиля, а вторые две отдаются малокалиберному излучателю верхнего баса, так называемому, мидбасу. Впрочем, до 300 Гц они играют редко, но это тема будет раскрыта позже.
Почему делим так? Основная причина - ограниченность возможностей кроссоверов. Я ставил опыты по восприятию басовых звуков, подключая сабвуфер в багажнике через каскад кроссоверов. При частоте среза 80 Гц и крутизне фильтра 12 дБ/октава уверенно было слышно, что сабвуфер находится в багажнике, и только специальные меры помогали устранить этот эффект.
Увеличение крутизны до 24 дБ/октава заметно снижало этот эффект, 36 и тем более 48 дБ/октава делали локализацию сзади несущественной. Наилучший эффект был достигнут при крутизне 60 дБ/октава. Больше не проверялось - просто под рукой не было нужного кроссовера.
Из этих опытов следовал еще один вывод: чем выше крутизна фильтра, тем выше частоту раздела можно применить. Нужно учесть и такой фактор: когда сабвуфер играет на грани рабочего хода диффузора, а усилитель на грани максимальной выходной амплитуды сигнала, то они сами начинают генерировать обертона - нелинейные искажения, которые тоже будут отчетливо слышны и будут влиять на заднюю локализацию баса. Так вот, если крутизна фильтра 36...48 дБ/октава, то можно частоту раздела повысить до 120 Гц, а при 60 дБ/октава - и до 160 Гц! При этом разительным образом возрастает энергетика баса, поскольку в полосе первых двух октав сосредоточена меньшая часть энергии баса.
Но, как уже говорилось ранее, дверная установка мидбасов не обеспечивает эффективного воспроизведения диапазона, в котором находятся басовые обертона, вследствие чего нарушается слитность басовых звуков и снижается энергетика. Выход из тупика, в котором до сих пор пребывает автомобильная промышленность (которой, по всей видимости, наплевать на своих потребителей) - это расположение мидбасовых динамиков так, чтобы диффузоры двигались в одну сторону, а не взаимно противоположно.
Решение к середине 1990-х нашли участники американского автозвукового движения, расположив мидбасы на полу. Некоторые из них просто вырезали в полу своих джипов дырки и монтировали туда динамики. В их жарком засушливом климате это оправданное решение. Нам такой вандализм ни к чему.
Мы динамики устанавливаем в напольные ящики (рис.5).

Мидбасы в них установлены в одной плоскости строго горизонтально и работают синхронно в одну сторону, т.е. синфазно, благодаря чему не гасят друг друга, а усиливают. Преимущества этого способа установки мидбасовых динамиков многочисленны:
• воспроизведение басов становится слитным;
• при правильной фазировке бас всегда ощущается исходящим спереди;
• бас богаче, энергичнее, громче.
Одновременно выстраивается ровная, симметричная и высокая звуковая сцена. Средние частоты, которые в дверной установке излучаются куда-то в область под ногами и теряются там (в некоторых автомобилях глубина провала на частотах выше 1000 Гц превышает 10 дБ или в 3 раза), в напольной установке излучаются вертикально вверх и, отразившись от лобового стекла, напрямую попадают в уши слушателя, благодаря чему они лучше слышны и попросту громче. Суммарная разница в звуковом давлении по сравнению с дверной установкой достигает 5...6 дБ, т.е. в 2 раза.
Итоги
Что еще мы не рассмотрели? Многополосные системы? И не будем. Это полезно в домашних АС, так как сужение воспроизводимого диапазона частот в каждой полосе благоприятно для снижения интермодуляции верхних частот нижними. Это выгодно для автомобильной 12-вольтовой индустрии, так как трехполосные системы стоят гораздо дороже. Это довольно эффективно в случае дверных соревновательных процессорных систем, но во всех остальных случаях простому потребителю и вдумчивому аудиофилу это совсем невыгодно и не хорошо с акустической точки зрения.
Таким образом, правильная качественная автомобильная аудиосистема должна обязательно включать в себя усилитель, сабвуфер и обладать напольным расположением фронтальных мидбасов с СЧ-ВЧ излучателями.
PA 1 '2016
Два подхода к выбору схем НЧ усилителей с АРУ
Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?
Новый взгляд на искажения, возникающие в УМЗЧ (часть первая)
Расчет разделительных фильтров для двухполосных акустических систем

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR