Контрапертурная акустика. Что за зверь и с чем её едят.

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.

ККак 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.

ЗЗачем 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 направленностиПри 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.

ННемного о доплеровской интермодуляции

Практически все, кому доводится писать о контрапертурной акустике, упоминают о допплеровской интермодуляции — это 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 комфортаРяд 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.

ССухой 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.

ИИтог

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.

#колонкидинамики #kolonkidinamiki #rusaudiobaraholka

По материалам сайта pult.ru и портала habr.com