Студийные мониторы
Анатолий Вейценфельд [ читать всю статью
Предмет сегодняшнего обзора - студийные мониторы - на удивление консервативен. За последние десятилетия промелькнули весьма экстравагантные способы генерирования акустических колебаний, вплоть до плазменно-ионизационного разряда - а традиционные динамики по-прежнему доминируют во всех сферах звуковой техники, и достойной смены им пока не видно.
Принципиальное устройство динамического громкоговорителя по существу не менялось с 20-30-х годов. Коротко напомню о нем. Катушка из нескольких десятков витков тонкого провода помещена внутрь магнитной системы, состоящей из кольцевого магнита и магнитного керна. В кольцевом зазоре между керном и магнитом и находится катушка, на которую воздействует постоянное магнитное поле. При подведении переменного электрического напряжения звуковой частоты к концам катушки вокруг нее возникает переменное магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитным полем. В результате этого взаимодействия возникает электродвижущая сила, заставляющая катушку совершать продольные механические перемещения в зазоре с частотой, соответствующей частоте подводимого к катушке напряжения, и с размахом (амплитудой), соответствующим величине напряжения. Присоединенный к катушке легкий картонный, синтетический или металлический диффузор колеблется вместе с катушкой, создавая в прилегающей воздушной среде разрежения и уплотнения, т.е. звук.
Естественно, катушка не ползает по магниту, а подвешена внутри зазора так, чтобы не задевать никаких поверхностей. Это достигается за счет особо точного крепления (центровки) диффузора к кольцевому диффузородержателю. При этом края диффузора имеют либо несколько гофрированных колец, либо резиновый подвес для увеличения хода диффузора и, соответственно, акустического давления. Тем не менее, всему есть предел, и при подведении к катушке чрезмерного напряжения она начинает задевать твердые поверхности, что, во-первых, вызывает искажения, и, во-вторых, неизбежно приводит к повреждению динамика. (Об ограничении подводимой мощности и других технических параметрах - далее).
Таким образом, громкоговоритель является электромеханической системой, со свойственными этому типу устройств достоинствами и недостатками.
Традиционный диффузорный громкоговоритель используется как низкочастотный, среднечастотный и широкополосный. Неплохо показала себя диффузорная конструкция и в высокочастотных громкоговорителях, но здесь с ней конкурируют другие типы конструкций.
Помимо диффузорного динамического громкоговорителя находит применение рупорный, в котором соединенная с катушкой сферическая диафрагма излучает звук внутрь рупора. В связи с большой частотной неравномерностью и малым к.п.д. рупорных динамиков эта конструкция используется только в высокочастотных громкоговорителях. В высокочастотных громкоговорителях используется также еще одна разновидность динамиков - мембранно-купольная, или в просторечии "пуля".
Наиболее распространенный диффузорный динамик является по существу поршневой системой, в которой поршнем служит конусный диффузор, а рычагом - катушка. Однако любая поршневая система обладает инерционностью, связанной как с преодолением сопротивления воздушной среды, так и собственного веса. Естественно, чем эта инерционность меньше, тем точнее соответствует движение диффузора подводимым электрическим колебаниям.
Как всякое свободно подвешенное тело, диффузор может инерционно колебаться и имеет собственную частоту, не зависящую от частоты подводимого к катушке напряжения. Чем меньше инерционность диффузора, то есть чем ниже частота его собственных колебаний и меньше их амплитуда - тем лучше. В идеальном случае их вообще не должно быть - тогда можно было бы говорить о безынерционном диффузоре.
На поведение диффузора сильно влияет частота подводимого сигнала. На низких частотах диффузор добросовестно работает как поршень, и возбуждаемые акустические колебания адекватны электрическому сигналу, т.е. характеристика электромеханического преобразования здесь линейна. Но при повышении частоты точность соответствия изменения полярности сигнала направлению движения кутушки с диффузором падает, возникают дополнительные колебания и стоячие волны, и диффузор перестает колебаться как единое целое. Образуются колебания, отсутствующие в исходном сигнале и являющиеся нелинейными искажениями. Другое следствие нелинейности отношения "вход-выход" - появление пиков и провалов на отдельных узких участках диапазона как результат действия дополнительных колебаний и стоячих волн соответственно. В акустическом отношении все эти факторы приводят к окрашиванию звука, который отличается от исходного тембра.
На высоких частотах стоячие волны и дополнительные колебания (призвуки) не образуются. Однако колеблется только центральная часть диффузора вокруг катушки, до краев диффузора механическое возбуждение почти не доходит, т.е. диффузор уже не работает как единый поршень. В связи с резким уменьшением площади, передающей колебания в пространство, падает и интенсивность высоких частот, имеет место спад амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) громкоговорителя. Такова в целом физическая природа действия электромеханического громкоговорителя диффузорного типа.
Теперь рассмотрим некоторые технические параметры, по которым нормируются громкоговорители.
- Номинальное электрическое сопротивление - сопротивление катушки в качестве нагрузки постоянному току.
- Полное электрическое сопротивление - сопротивление переменному току в рабочем диапазоне частот с учетом максимумов и спадов сопротивления на отдельных частотах и наличия противо-ЭДС.
Из нескольких типов параметров мощности наиболее важны:
- Номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают определенного процента;
- "Музыкальная" мощность, называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает на реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого заданного времени;
- Пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель на шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1 с) без повреждений;
- Частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки. Так электромеханическая система на определенной частоте реагирует на подводимый электрический сигнал;
- Добротность электромеханической системы громкоговорителя показывает степень инерционности системы, как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора. Она является очень важной характеристикой;
- Номинальный диапазон частот - частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет нормируемым требованиям;
- Среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;
- Характеристическая чувствительность - предыдущий параметр, замеренный на расстоянии 1 м от центра громкоговорителя на рабочей оси при подведении мощности 1 Вт. Это очень важный параметр. Понижение уровня характеристической чувствительности на 3 дБ требует увеличения мощности усилителя вдвое для создания такого же давления, и наоборот;
- Неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или, при необходимости, в каком-либо ином) диапазоне частот. У громкоговорителей хороших фирм не превышает 3-4 дБ;
- Частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;
Направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;
Коэффициент гармоник (обычно 3-я гармоника) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала (в котором никаких гармоник, естественно, нет);
Коэффициент интермодуляционных искажений - об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал из двух частот - 100 Гц и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некоррректно называемые комбинационными гармониками) с частотами,соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800 Гц, 1200 Гц, 600 Гц, 1400 Гц и т.д. Так вот, чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.
Таковы основные технические параметры громкоговорителей. Следует заметить, что обращаться с конкретными паспортными данными следует осторожно. Некоторые производители иногда называют, например, диапазон воспроизводимых частот без указания на неравномерность характеристики; при этом может выясниться, что заявленный нижний порог в 25-30 Гц обеспечивается лишь при падении давления на 10 дБ и более, что фактически является припиской и фальсификацией.
От характеристик громкоговорителей перейдем к составляемым из них акустическим системам.
К сожалению, отечественная терминология не устоялась и не соответствует зарубежной. Так, собственно "динамики" в старых ГОСТах, именуются "головками", а акустические системы - "громкоговорителями". Отсюда и такие странные выражения, как "трехполосный громкоговоритель". В современной профессиональной и коммерческой среде используют термин "акустическая система", причем бытовые акустические системы называют по-обиходному "колонками", а профессиональные студийные акустические системы - "мониторами". А еще иногда встречается и такой термин, как "контрольный акустический агрегат". Некоторые, запутавшись, просто перешли на транслитерацию с английского - "спикер" в их устах вовсе не председатель Госдумы, а динамик "вообще". При этом низкочастотный "спикер" - это "вуфер" или "субвуфер", среднечастотный - "драйвер", а высокочастотный - это "твиттер", но для него есть жаргонное название "пищалка" (кстати, это довольно точный перевод слова tweeter).
В данном обзоре будем обходиться разумными языковыми средствами - акустическая система и составляющие ее громкоговорители: высоко-, средне-, низкочастотные. Пусть несколько громоздко, зато понятно...
Из всего многообразия конструкций акустических систем в студийной практике используются только две - это закрытый ящик и фазоинвертор (множество вариаций на его тему при внешнем различии не меняют физической сути).
Поскольку не существует громкоговорителя, способного воспроизводить с одинаковым уровнем все звуки слышимого диапазона, в одной акустической системе используют минимум два громкоговорителя - для низко-средних и высоких частот. Низкочастотный громкоговоритель - всегда диффузорный динамик, среднечастотный громкоговоритель - тоже, но иногда бывают среднечастотные рупорного типа (horn). Высокочастотный громкоговоритель может быть как диффузорным, так и рупорным, а также купольным (dome, bullet).
Двухполосная система используется обычно для так называемых мониторов "ближнего поля", располагающихся непосредственно вблизи головы звукорежиссера. Один динамик в такой системе воспроизводит низкие и средние частоты, другой - высокие. Подавать широкополосный сигнал на каждый громкоговоритель, особенно высокочастотный, нельзя - это приведет к сильнейшим искажениям и даже к выходу из строя высокочастотного динамика.
Для разделения частот внутри корпуса находится пассивный фильтр (в зарубежной терминологии crossover, но в отечественной практике этим термином называется несколько иной прибор). При этом частота разделения входного электрического сигнала для подачи на низкочастотный и высокочастотный динамики выбирается несколько выше, чем нижняя граница диапазона высокочастотного громкоговорителя. Учитывается также номинальная мощность ВЧ-громкоговорителя. Если она невелика, частота разделения повышается, т.к. при повышении частоты разделения мощность, приходящаяся на ВЧ-громкоговоритель, уменьшается. Однако, поскольку на низкочастотный громкоговоритель приходится в этом случае и большая энергетическая нагрузка, и больший диапазон воспроизводимых частот, то в таких двухполосных системах применяется не чистый "басовик" (subwoofer), а широкополосный громкоговоритель с хорошей передачей средних частот и довольно высоким ограничением по низким. Этим и обусловлено применение двухполосных конструкций в небольших "ближних" акустических системах.
Гораздо лучше воспроизводят слышимый диапазон частот трехполосные системы, состоящие из низкочастотного громкоговорителя (woofer), среднечастотного (mid-driver), и высокочастотного (tweeter). Работа в ограниченном диапазоне "своих" частот улучшает звучание низкого и среднего динамиков и снижает искажения, т.к. генерируемые этими динамиками гармоники высокого порядка оказываются выше частоты среза фильтра и подавляются.
Размещение динамиков в ящиках (cabinet) - это целое искусство, подкрепляемое сложнейшими математическими расчетами. Не вдаваясь в чисто инженерно-конструкторские подробности, отметим главное - резонансная частота ящика должна быть ниже резонансной частоты низкочастотного громкоговорителя. Результат обратного соотношения каждый может легко себе представить...
В настоящее время схема ящика с фазоинвертором доминирует даже в малогабаритных акустических системах. Суть фазоинвертора (в зарубежной терминологии bass-reflex) в том, что на стенке ящика, как правило, фронтальной, делается отверстие, а внутрь ящика вводится трубка. Диаметр отверстия, длина и форма трубки рассчитываются таким образом, что колебание воздуха, вызванное ходом обратной стороны низкочастотного диффузора, выходит из отверстия синфазно с колебанием передней стороны диффузора. Проще говоря, то, что "выходит из отверстия", соответствует тому, что излучает низкочастотный громкоговоритель. Таким образом, увеличивается как звуковое давление на низких частотах, так и площадь излучения, а это очень важный фактор. Необходимо отметить, что точность расчетов и построения фазоинвертора играют исключительную роль в достижении качественного звучания.
Вне зависимости от типа акустического оформления - закрытый ящик или фазоинвертор - конструкция предусматривает гашение всех призвуков и резонансов внутри корпуса. Для этого внутри устанавливаются мягкотканевые поглотители, а в закрытых ящиках - рассекатели.
По сей день основным материалом для изготовления корпусов акустических систем остается древесина. При этом учитывается, что дерево, как таковое, обладает собственными акустическими свойствами, а внесение материалом корпуса собственных призвуков нежелательно, ведь акустические системы - это не музыкальные инструменты! С призвуками борются как специальными гасящими конструкциями, так и применением вместо сплошной древесины древесно-стружечной (ДСП) или древесно-волокнистой плиты (ДВП), столь нелюбимых нами в мебели. Эти плиты не имеют какой-либо структуры (каковой являются линейные волокна дерева) и поэтому меньше подвержены резонансам. Снаружи плита отделывается разными покрытиями, в том числе имитирующими дерево ("фанеровка"), но эта отделка носит чисто декоративный характер.
Наряду с традиционным использованием дерева, продолжаются попытки использования иных материалов - пластика, металла, камня. Существует довольно большое число пластиковых акустических систем, как правило, небольшого размера ("ближнего поля"), звучащих достаточно приемлемо и дешевых в силу технологичности изготовления корпусов. Однако, несмотря на все достижения "большой химии", попытки создания пластмассовых корпусов большого размера для акустических систем пока не увенчались успехом (разумеется, с точки зрения акустики, а не ящикостроения). Дело в том, что большой корпус должен обладать и большой массой, иначе в нем начинают "гулять" такие резонансы, подавить которые гораздо сложнее и дороже, чем, например, в деревянном корпусе.
Довольно эффективны и последнее время популярны металлические корпуса акустических систем. Это связано, в частности, с широким использованием в студийной практике компьютеров с традиционными электронно-лучевыми кинескопами мониторов, на которые плохо влияют магниты динамиков, если те находятся слишком близко. Металлический корпус акустической системы является в данном случае экраном. Кроме того, металлический корпус технологичен в изготовлении и обеспечивает необходимую по акустическим требованиям жесткость. Конечно, используется не танковая сталь, а легкие металлы - сплавы алюминия и т.п.
Интересные результаты дает и использование камня. Тут, ясное дело, о технологичности изготовления корпусов говорить не приходится, но акустические результаты оказываются превосходны. Впрочем, проблема решается компромиссом - применением специальных синтетических материалов "типа камня", позволяющим соединить простоту производства корпуса с массивностью и твердостью настоящего камня.
Однако, несмотря на активное внедрение новых материалов, основным остается все же старое доброе дерево.
Долгое время пользователей устраивало традиционное расположение динамиков на передней стенке корпуса в виде "снеговика", т.е. внизу низкочастотный громкоговоритель, в середине - среднечастотный, и наверху - высокочастотный громкоговоритель. Однако было замечено, что расстояние от центров разных динамиков до слушателя часто различно, и звуки от них достигают слушателя не строго синхронно, то есть не синфазно. Величина расфазировки очень мала, но проблема, как говорится, имеется.
Решение было найдено в различных типах т.н. "коаксиальных", т.е. соосных (находящихся на одной оси) громкоговорителей. В простейших случаях высокочастотный динамик закреплялся перед центром конуса низкочастотного диффузора без физического соприкосновения с ним. Другой, более сложный, но и более изящный способ создания точечного излучателя предложила известная английская фирма Tannoy. В их, теперь уже классической, системе мембрана высокочастотного динамика находится позади магнита низкочастотного динамика. В керне низкочастотного громкоговорителя проделаны каналы, по которым воздушное давление от высокочастотной мембраны проходит в направлении излучения низкочастотного диффузора, являющегося к тому же рупором для высоких частот. Таким образом, достигается идеальная точечность излучения.
Уже упоминалось, что на высоких частотах диффузоры, особенно большие, колеблются в основном центральной частью, прилегающей к катушке. Это свойство было использовано при создании широкополосных громкоговорителей, популярных в профессиональной технике два-три десятилетия назад и встречающихся и поныне. В этих громкоговорителях в центральную часть диффузора вклеивался дополнительный минидиффузор, работавший как пассивный коаксиальный высокочастотный громкоговоритель. Конечно, результат был далек от настоящих коаксиальных систем, но отдача на высоких частотах у этих широкополосных динамиков действительно существенно улучшалась.
Современное производство чего бы то ни было предельно стандартизировано. Сложились стандарты и на размеры громкоговорителей - от мала до велика. Размеры современных динамиков принято мерить в дюймах и это удобно- это не только размер, но как бы и "номер изделия".
В студийной практике почти не применяются низкочастотные динамики больше 18", да и восемнадцатидюймовые встретишь не часто. Далее по порядку идут 15", 12", 10" и 8".
Среднечастотные - 8", 61/2" и 5".
Высокочастотные - 4", 21/2" и 11/2".
Размеры диффузора имеют значение в основном для низкочастотных громкоговорителей, влияя на нижнюю границу диапазона и уровень звукового давления.
Упоминавшиеся ранее акустические системы "ближнего поля" должны работать непосредственно "на голову" слушателя, без влияния акустики помещения. По существу, этот тип акустики призван имитировать бытовые колонки т.н. "полочного" (shelf) типа. С их помощью звукорежиссер устанавливает общий баланс фонограммы, ее общую "пригодность".
Реальную звуковую картину могут представить только большие акустические системы (контрольные мониторы) "дальнего поля", звучащие равномерно по всему диапазону частот и не перегружающиеся при рекомендованном уровне прослушивания (около 90 дБ). Если "ближние мониторы" имитируют малогабаритные бытовые колонки, то дальние - концертную аппаратуру и реальный концертный зал. Именно они дают возможность услышать все детали фонограммы и оценить реально записанную звуковую информацию.
К сожалению, многие звукорежиссеры и даже студии стали позволять себе использовать во всем процессе только малые мониторы, объясняя это тем, что, дескать, все равно результат их работы будут слушать на "мыльницах", т.е. переносных магнитолах и подобного рода аппаратуре. Но в таком случае звукорежиссер сам себе определяет свой класс "мыльницмейстера", и на большее претендовать уже не может.
Необходимо сказать о некотором различии между требованиями к акустическим системам для студий звукозаписи и для процесса мастеринга. В последнем случае эти требования значительно строже. По существу, здесь требуется эталонная акустика, обладающая максимально возможной линейностью АЧХ (кривая на графике должна приближаться к прямой во всем диапазоне воспроизводимых частот) и минимальными переходно-скоростными искажениями, т.е. добротностью и инерционностью. И все это в сочетании с очень большим звуковым давлением (больше 120 дБ).
Иными словами, если акустика многоканальной студии должна достоверно воспроизводить звучание отдельных компонентов звуковой фактуры и показывать общий баланс, то акустика для мастеринга должна достоверно воспроизводить звучание завершенной, смикшированной фонограммы, а это уже более сложная задача, т.к. подаваемый на акустические системы сигнал сложнее и в динамическом, и в частотно-спектральном отношении.
Наконец, необходимо также кратко осветить вопрос о различии профессиональных контрольных мониторов и бытовой Hi-Fi/Hi End акустики. Необходимость этого связана с тем, что последнее время многие студии, особенно связанные с видео и мультимедиа, а также студии начального уровня, стали использовать для контрольных целей бытовую Hi-Fi акустику.
Посколько чисто технически устройство профессиональной и бытовой техники почти не различается, многие не понимают и акустической разницы между ними.
Итак, обратите внимание, что бытовая Hi-Fi акустика описывается, в "эстетических" определениях - красивый, роскошный, яркий, сочный, либо тусклый, вялый и т.п. Профессиональная контрольная акустика, напротив, характеризуется обычно в терминах, так сказать, "этического" ряда - "честный, точный, правильный, верный" и т.п.
Делается это стихийно, без всякого специального соглашения о терминологии, что как раз и подчеркивает принципиальную психоакустическую разницу между требованиями к этим видам акустических систем.
Приобретая акустику для бытовых целей, мы хотим получить удовольствие от прослушивания музыки (или видео и др.). Вряд ли потребитель будет возражать, если запись прозвучит даже лучше, "красивее", чем в реальном исполнении в студии или на концерте - от добра добра не ищут! Для этого бытовую аппаратуру и оснащают темброрегуляторами, эквалайзерами, а теперь уже и цифровыми процессорами. Крути ручки под свой вкус, независимо от того, насколько это соответствует оригинальной фонограмме.
От профессионального контрольного устройства требуется совершенно иное - максимальное соответствие звука записанному сигналу. А максимальная достоверность и объективность акустической системы выражается, как уже сказано, в линейности ее АЧХ и ФЧХ, как в частотном отношении, так и в переходных процессах. Красиво же или некрасиво это звучит - тут уж, что есть, то есть...
Недаром от многих звукорежиссеров можно услышать: "Без мониторов фирмы Х модели Y работать не могу, но домой к себе не поставлю ни за что".
В одном случае нужна Красота, в другом - Правда…
А тот, кто использует в студии бытовую акустику (пусть даже качественную и дорогую), рискует услышать совершенно не то, что записано в фонограмме. Результатом может стать неправильно сведенная и несбалансированная запись, которая при воспроизведении на другой акустике прозвучит как брак, и исправить будет уже ничего нельзя. Поэтому дам совет начинающим звукорежиссерам и инженерам - не экономьте на контрольных мониторах, иначе вы уподобитесь фотографу, который для себя сделал хороший отпечаток, а в редакцию отнес полузасвеченный…
