"После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и ¦присутствия¦. В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно = теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и ¦свернуты¦ сложным образом.
К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.
Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % = очень внушительное значение по сравнению с 2 — 3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокая стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты. Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к ¦поточным¦ методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самоделыцика, не говоря уже о профессионалах, и именно для них предназначена данная статья.
Хотя ранние акустические граммофоны, фонографы, а также первые ¦электрические¦ преобразователи 20-30-х годов использовали рупоры самых разных видов, впоследствии прогресс этого вида оформления практически остановился. Конечно, отдельные фирмы производят рупорные громкоговорители, и редкие статьи в технической прессе вызывают временный подъем интереса, но, за исключением классических трудов Олсона (Olson), Беранека (Beranek) и еще нескольких публикаций, вышедших до 1940 года, информации, доступной желающим спроектировать и построить рупор, крайне мало. Что касается публикаций на русском языке, то их вообще практически нет. Данная статья преследует цель хоть в какой-то степени удовлетворить интерес со стороны энтузиастов.
После краткого исторического обзора в статье будет рассмотрена теория громкоговорителя с рупорной нагрузкой, а также объяснены отправные пункты, принимаемые во внимание при проектировании рупоров. Кроме того, будут изучены различные компромиссы, применяемые при проектировании, в особенности в области способов ¦сворачивания¦ и влияние этих компромиссов на качество звучания.
Предисловие
В течение многих тысяч лет известно, что, если звук пропустить через трубу с маленьким отверстием с одной стороны и большим = с другой, то он заметным образом усилится. С библейских времен человек использовал рога животных и другие встречающиеся в природе ¦рожки¦ как в качестве музыкальных инструментов, так и в качестве мегафона. В 1877 году Томас Эдисон приставил рожок из олова к своему примитивному фонографу, чтобы согласовать крошечные колебания диафрагмы с акустической нагрузкой в виде воздуха в помещении. У большинства людей термин ¦рупор граммофона¦ вызывает в воображении образ ранних граммофонов или фонографов, разработанных примерно между 1890 и 1912 годами, когда все использовали внешний рупор.
В тех рупорах использовалось множество профилей расширения: в самых ранних моделях, главным образом, прямой конический; в более поздних граммофонах этого периода использовали большие расширяющиеся рупоры с прямолинейной или изогнутой осью, в зависимости от длины и общего дизайна всего изделия. Анализ этих ранних рупоров, выполненный на основе современных знаний в области акустики, показывает, что в то время недостаточно хорошо понимали принцип действия рупора как акустического трансформатора. Это тем более удивительно, поскольку лорд Рэлей (Lord Rayleigh) проанализировал ¦передачу акустических волн в трубах изменяющегося сечения¦ в статьях ¦¦ 265, 280 своего классического трактата ¦Теория Звука¦, изданного еще в 1878 году.
Лорд Рэлей в статье ¦ 281 дал анализ прохождения звука через коническую трубу, а также сделал интересное заявление, что ¦если отрезок трубы изменяем, то проблема колебаний воздуха в его пределах вообще не может быть решена¦. В течение первых нескольких лет после публикации результаты лорда Рэлея имели лишь чисто научный интерес, который возрос к рубежу столетий в связи с появлением граммофонов, большинство из которых как раз использовали конические рупоры, как, например, в ранних моделях HMV (известные по рекламе с собакой, слушающей хозяина = His Master's Voice). После 1912 года множество производителей представило рупоры, свернутые в той или иной степени, чтобы поместить их внутрь корпуса граммофона. Эти модели из-за их компактности и пригодности в качестве элемента мебели активно присутствовали на потребительском рынке течение следующих 12 лет (даже в те далекие дни энтузиастам было не всегда легко убедить своих жен в том, что аппарат с торчащей из него здоровенной трубой является наилучшим украшением гостиной)."
В сети есть множество информации о том, что рупорное акустическое оформление добавляет чёткости и реалистичности звучанию, но мало где рассказано от чего это происходит. Так сказать, физика процесса описана слабо.
Собрав некоторый объём информации выяснилось, что процесс "улучшения" звуковой волны, проходящей по тракту, ограниченному экспоненциально расширяющимися стенками в чём то похож на обработку изображений в Photoshop. Да да! Именно изображений!
Почему так получается, что звук и изображения схожи по своей природе и их качество изменяется и измеряется по схожим законам? Дело в том, что профессиональные ретушёры применяют в редактировании изображений такой приём как частотное разложение. Он состоит в разделении изображения на несколько слоёв в одном из которых присутствуют детали размером 1-3 пиксела, во втором 5-10 пикселов, в третьем 12-20 пикселов. Когда детали изображения разных размерностей отделены друг от друга, ретушёр имеет возможность редактировать их отдельно — управлять резкостью и контрастом избирательно. И здесь мы видим, что природа изображения очень похожа на природу звука: в изображении детали разной размерности в пикселах соответствуют звукам разной частоты в музыке. Мы можем улучшить качество цифрового изображения на компьютере: если оно нечёткое, границы предметов размыты, то мы можем немного увеличить контраст и добавить резкость.
Как же можно улучшить звук? В рупоре улучшение происходит автоматически: аналоговым способом. Закон распространения звука предполагает сферическую форму фронта распространения волны. Если мы установим на границе расширения волны стенки в виде экспоненциального рупора, то ограничим расширение волны сразу во все стороны. В свою очередь экспоненциально расширяющиеся стенки преобразуют один вид энергии волны в другой: через горло и устье при прокачке воздуха динамиком проходит одинаковое количество воздуха, но в горле из-за его узкого сечения амплитуда колебаний больше (в горле дует такой же ветер как из фазоинвертора). Проходя по расширяющемуся рупорному каналу амплитуда колебаний уменьшается, плавное экспоненциальное расширение исключает большинство переотражений и ревербераций. На выходе из устья ветер уже не дует — из-за расширения он преобразовался в короткие и плотные звуковые колебания с небольшой амплитудой, но высокой чёткостью звучания.
По сути рупором мы исправляем звук добавляя ему резкости и контраста! Однако, как и с изображением очень плохого качества — не получится исправить крайне некачественный звук. Поэтому для получения отличного результата необходимо использовать файлы с высоким бит-рейтом.