Ричард Смолл (Richard H. Small) родился в 1935 году в Сан-Диего (США, Калифорния), в 1956 году стал бакалавром, а в 1958-м – магистром в Массачусетском технологическом институте по направлению электричество (electrical engineering). С 1958 по 1964 год работал в исследовательском центре фирмы Bell & Howell. После кратких рабочих визитов в Норвегию и Японию переехал в Австралию, где в Сиднейском Университете получил ученую степень доктора философии (1972) за законченные исследования динамических акустических систем прямого излучения. Всемирную известность получил уже в возрасте 37 лет благодаря ставшим классическими исследованиями акустических оформлений, где обобщил и творчески переосмыслил накопленный до него опыт. Ныне живет и здравствует, ведет активную научную, консультационную и производственную работу.

А.Н. Тиль (A.N. Thiele) Смоллу не родственник, а коллега. О нем – в следующий раз.

И разминка имела смысл. Теперь мы знаем, что с поверхности диффузора слетают акустические волны и именно они представляют суть желанного для нас звука. Ясно, что диффузор – поверхность двусторонняя и каждая его сторона излучает свою волну. Если не принимать никаких мер, то в каждой точке пространства эти волны будут складываться, к несчастию, уничтожая друг друга. Ведь понятно, что если передняя поверхность движется от магнита, сжимая воздух, то задняя будет воздух растягивать! Так вот мы подошли к пониманию простейшего смысла акустического оформления.

В этом, простейшем, оформление – это чтобы нам не мешала задняя сторона диффузора. Очевидное акустическое оформление – это отгородка: бесконечный экран. Бесконечный, в смысле большой. Или замкнутый. Скажем, в автомобиле можно врезать головку в крышу, при этом пассажиры будут довольствоваться звуком, создаваемым одной стороной диффузора, а окружающие пешеходы – другой. Это можно запатентовать как способ повышения к.п.д. вдвое, если, конечно, пешеходы не станут возражать. Такое (вот именно такое) конструктивное решение бесконечного экрана применяется в очень частном случае: для демо-машин на всевозможных выставках и шоу, где, помимо большой громкости в салоне, коммерчески выгодно погрохотать и «наружу». В жизни обычных людей, не маркетологов, модель бесконечного экрана реализуется в виде закрытого ящика большого или очень большого объема, а в машине такой только один – багажник. Но это все-таки конечный объем, поэтому такой случай удобнее рассматривать как частную реализацию акустического оформления в виде закрытого ящика.

Закрытый ящик – наиболее часто применяемое акустическое оформление, и сегодня нам предстоит ознакомиться с ним в самых общих чертах.

Закрытый ящик

Нет сомнения, что с проблемой вредного излучения задней поверхности диффузора закрытый ящик справляется хорошо: нет излучения – нет проблемы. Однако воздух, содержащийся в закрытом ящике, при сжатии и растяжении его задней поверхностью колеблющегося диффузора изменяет свое давление в соответствии с предсказаниями еще Гей-Люссака и, в свою очередь, воздействует обратно на диффузор: заткните дырку у автомобильного насоса и нажмите на поршень как следует. А теперь отпустите поршень – правда, воздействует!

При очень больших объемах ящика относительное изменение объема за счет хода диффузора мало, и ящик выполняет функции бесконечного экрана. По мере снижения объема ящика упругость содержащегося в нем воздуха возрастает. Это нетрудно себе представить – теперь относительное изменение объема ящика, вызываемое перемещением диффузора, возросло, и амплитуда колебаний давления в корпусе АС – тоже. В какой-то момент, то есть при каком-то объеме, сжатый в одной фазе колебаний или растянутый в противоположной фазе воздух в ящике будет оказывать на диффузор такое же по силе воздействие, как и его собственный упругий (например, резиновый) подвес. Объем этого воздуха по определению принимается за эквивалентный объем динамической головки, обозначается Vas и является наряду с полной добротностью Qts и собственно резонансной частотой Fs одними из основополагающих ее параметров, именуемых параметрами Тиля – Смолла.

Надо сказать, что собственный резиновый (латексовый или другой упругий) подвес не несет в конструкции динамических головок каких-либо принципиальных функций. Упругость подвеса не входит как параметр в формулу для к.п.д. и во многие другие важные зависимости. Теоретически головка прекрасно сможет работать и без упругого подвеса, ибо переменный сигнал сам по себе обеспечивает как отклоняющее, так и возвращающее воздействие. На практике же подвес необходим так же (и для того же, в сущности), как пружина на входной двери. Чтобы всегда можно было найти дверь в известном месте и в известном положении...

В зависимости от того, насколько объем закрытого ящика меньше, чем Vas, упругость воздуха в нем играет ту или иную роль. Например, головки, предназначенные для работы в свободном пространстве (free air), имеют, как правило, довольно мощные высокоупругие подвесы, обеспечивающие вместе с центрирующей шайбой необходимые прочностные механические свойства: кроме как на механическую упругость головке free air надеяться не на что.

Наоборот, головки, предназначенные для установки в закрытые ящики небольшого объема, могут иметь весьма мягкие подвесы, и необходимые механические характеристики обеспечиваются упругостью воздуха, заключенного в замкнутом объеме АС.

Преимущества последнего случая очевидны: характеристика самой хорошей, самой каучуковой резинки нелинейна, и знает об этом любой стрелявший в детстве из рогатки или носящий трусы. А воздух в своей упругости линеен, в роли пружины он не имеет равных, особенно если процесс его сжатия-растяжения оказывается изотермическим и закон Гей-Люссака p1V1 = p2V2 выполняется. Иногда закрытый ящик такого типа называют системой с воздушным подвесом. Если сжатие-растяжение сопровождается изменениями температуры с частотой подведенного сигнала, то есть процесс оказывается не изотермическим, а адиабатическим. То есть теплообмен между воздухом внутри корпуса акустической системы и окружающей средой отсутствует, и температура воздуха меняется в такт колебаниям диффузора, повышаясь при сжатии и понижаясь при разрежении. Здесь уже линейность воздуха как источника упругости становится неидеальной, потому и придумали способ вернуть процесс к изотермическим условиям. Делают это путем заполнения АС материалом с высокой теплопроводностью при высокой теплоемкости, например сверхтонковолокнистой минеральной ватой. Если при этом диффузор будет двигаться внутрь корпуса, сжимая воздух, адиабатический нагрев воздуха в корпусе АС приведет к активной теплопередаче «воздух – вата»: вата поглотит часть тепла, воздух согреется меньше. Обратный процесс – диффузор растягивает воздух. Воздух пытается остыть, а согревшаяся за предыдущий этап вата его нагревает. Температура воздуха в результате теплообмена стабилизируется, процесс в большей степени походит на изотермический, линейность воздушного подвеса растет. Именно поэтому частичное заполнение корпуса низкочастотной АС ватой эквивалентно увеличению объема ящика. Температура воздуха внутри колеблется в меньших пределах, как будто ящик больше по объему и колебания давления в нем меньше. Динамическая термостабилизация – это главная (хотя и не единственная) задача, решаемая с помощью волокнистого заполнения внутреннего объема АС.

Системы закрытого типа с акустическим подвесом нашли широчайшее применение в аудиокомплексах самого различного назначения, в том числе и автомобильных. Часто применяют термин «закрытый ящик компрессионного типа», подчеркивая тем самым большую роль упругости воздуха в ящике. У этого типа акустического оформления (как и у любого другого, да и вообще, как у всего в это мире), есть преимущества и недостатки.