Лабораторная по физике №3, или на коленях перед акустической системой

Бродя по разным аудиофильским сайтам, время от времени натыкаюсь на неоднозначные высказывания о виброизоляции акустических колонок от пола с помощью стоек-шипов. Народ на форумах делится впечатлениями и одни говорят, что «да, это хорошо», а другие, что «не, ерунда всё это, не работает ваша виброразвязка и нет никакой разницы в звучании». Логично предположить, что разногласия связаны с частными случаями использования конкретных акустических систем в конкретных же помещениях.

Естественно, пройдясь по форумам, а затем почитав учебники, захотелось самому проверить, а будет ли слышна разница в моём случае. Приделал по три ножки к колонкам, послушал, ничего нового не заметил. Печаль... Но, раз не удаётся услышать, то, может быть можно увидеть эту «разницу»? Значит, надо провести небольшую «лабораторную работу по акустике» с применением компьютера в качестве измерительного прибора.

Но сначала немного уточнений, разъяснений и определений условий проведения эксперимента.

Теория говорит о том, что применение «шипов» - это один из способов уменьшения передачи низкочастотных вибраций от одной поверхности к другой (это относится не только к акустическим колонкам). Здесь работает принцип виброизоляции, основанный на уменьшении площади соприкосновения поверхностей объектов и уменьшения за счёт этого количества передаваемой энергии.

Наверное, стоит уточнить, что, говоря о виброразвязке, обычно подразумевают «защиту» корпуса колонки от вибраций пола, а не пол от вибраций колонки. Так же подразумевается, что колонка сконструирована с учётом максимального подавления (поглощения) всех возникающих в ней резонансов (мод) и были приняты все меры для уменьшения передачи вибраций от динамика на корпус. А виброразвязка от пола должна защищать колонку от резонансов комнаты возникающих при работе колонок (этакий замкнутый круг, некая «обратная связь»). Из всего этого логично предположить, что речь идёт о низких частотах в пределах от десятков до сотен герц.

Итак, условия проведения экспериментов.

Жилая комната в панельном железобетонном доме. Длина – 5 метров, высота – 2,63…2,65 метра, ширина - 2,51…2,55 метра (высота и ширина меняются). На полу – деревянный настил (лаги+доски) высотой около 7-8 см. Настил покрыт 5-ти миллиметровыми листами ДВП в количестве 3-х штук. Пол «голый», без ковровых покрытий. Потолок тоже «голый». На длинных стенах комнаты укреплены стеллажи, сделанные из ДСП. Полки «забиты» книгами, журналами и другой мелочёвкой. Книги стоят довольно плотно, стеклянных дверей у полок нет. Вся аппаратура и акустика находится у одной стены, музыку слушаю, соответственно, у другой, на небольшом диванчике. Комната достаточно сильно захламлена – во всех углах и нишах множество всяких коробок с деталюшками, так что можно смело сказать, что какое-то рассеивание и поглощение звука в ней присутствует.

Усилитель – рабочий макет лампово-транзисторного «гибрида», выходное сопротивление около 0,3 Ом. Акустика – TQWP на 4А28, вес каждой колонки около 30 кг.

Микрофон выносной – электретный капсюль с усилителем и автономным питанием.

Для анализа звука используется программа SpectraPLUS.

Эксперимент первый.

Сначала, с помощью микрофона, расположенного около пола и направленного на него, были просмотрены частоты резонансов комнаты. Колонки стояли на полу без шипов. Уровень сигнала генератора «розового шума» выставлен таким, чтобы пол начал отчётливо вибрировать. На слух это достаточно громко – впечатление, что много больше обычной громкости при прослушивании музыки. Наверное, это объясняется тем, что шум хоть и «розовый», но плотный (сразу много частот, близких по уровню).

На рисунке 1 показаны полученные графики при разных положениях микрофона на полу (смещение в стороны +/- 20…30 см). Видно, что максимальный отклик комнаты находится на частотах около 63 Гц. Если считать моды по упрощённой формуле F(Гц)=341/L(м)/2, то это получается 2,7 м – размер, близкий к высоте комнаты.

Рис.1

Исходя из размеров комнаты, ещё один резонансный горб должен быть на частоте около 34 Гц и другой, сильно растянутый, на 70…80 Гц. Первого не видно – там, наоборот, наблюдается некоторый провал, но, возможно, это из-за того, что в одной торцовой стене находится открытый дверной проём, а в другой – окно с приоткрытой форточкой. Растянутый же горб на 70…80 Гц, похоже, есть, но виден не при всех положениях микрофона.

Ещё на графиках видны синхронные провалы на 110 Гц и 210 Гц и «подъём» в полосе частотах 125…200 Гц (это удвоение первых заметных резонансов). Правда, есть ещё синий график, несколько выпадающий из общей картины – насколько помню, он снят при положение микрофона примерно посредине листа ДВП, лежащего на полу и, возможно, что так выражаются собственные резонансы листа, так как он закреплён к полу только по периметру.

Так же на графиках видно, что на частотах выше 220…250 Гц их «синхронность поведения» начинает теряться. Возможно, что на этих частотах выражается направленность микрофона к сигналам, приходящих напрямую от акустических колонок и отражённых от других поверхностей комнаты. Но, может быть, причина и в другом.

И отлично заметно, что все графики имеют спад по частоте – уровни сигналов на 250 Гц ослабляются относительно максимального уровня примерно на 20 dB (в 10 раз), а на 550 Гц уже в 30 раз. Ну, этот спад понятен – пол всё меньше и меньше вибрирует. Поэтому думается, что для последующих экспериментов интересны только частоты до 250…300 Гц.

Так, хорошо, с полом немного понятно. А что будет, если микрофон установить на месте прослушки примерно в том месте, где находится голова? И раз микрофон уже будет «на месте», то можно начать проверку «влияния» шипов.

После установки микрофона были сняты три графика (рис.2) – синий, это когда колонки стоят на полу (не тот синий, что горизонтальный в самом низу шкалы, а тот, что «выглядывает» из-за розового), зелёный – это на шипах и розовый – при установке колонок на четыре слоя войлока. Последний вариант сделан по просьбе знакомого, который, придя в гости и попав на измерения, тоже заинтересовался «влиянием» и так как у него дома колонки стоят на мягкой основе, то мы сразу проверили и такой вариант.

Рис.2

Видны очень кривые АЧХ, но бросающейся в глаза разницы между ними нет, не считая мелочей, связанных, скорее всего, со смещением колонок при их перестановках в пределах 0,5-1 см по горизонтали и с изменением высоты установки (примерно плюс 1 см на войлоке и плюс 3 см на ножках). В общем, графики говорят о том, что или условия проведения эксперимента неправильны, или «виброразвязка» никак не работает.

Наличие ярко выраженных горбов и провалов на рисунке 2 заставило проверить работу акустики на низкой частоте в «ближнем поле». Сначала были два раза сняты показания (на полу и на войлоке) при расположении микрофона в 10-ти сантиметрах напротив порта «устья» одной из колонок (рис.3), а затем на таком же расстоянии от центра динамика (рис.4). Видно, что и колонка и динамик работают более-менее нормально, а АЧХ на месте прослушки «ломает» комната.

Рис.3

Рис.4

Эксперимент второй.

Так как результат по применению виброразвязки пока отрицательный, то нельзя ли провести ещё какие-то измерения? Альтернативные? Например, а что будет, если поставить в разрыв акустического провода низкоомный резистор (рис.5) и посмотреть падения напряжений на нём?

Рис.5

Ведь по теории, если на корпус колонки будет оказано какое-то вибрационное воздействие, то на выводах катушки динамика должна выделиться ЭДС, которая «упадёт» на резисторе. Только, наверное, надо изменить условия эксперимента – пустить в контролируемый канал несколько частот (например, 250 Гц, 1,1 кГц, 2,5 кГц) небольшого уровня, а во второй канал частоту, на которую будет «отзываться» комната (например, 63 Гц). Если вибрации «пролезут», то на резисторе должны выделяться разностные частоты и можно будет оценить их уровни.

Правда, в этом эксперименте есть одно «но», которое надо учитывать - вибрации ведь могут передаваться не только через пол на корпус, но и по воздуху на диффузор динамика. Т.е. он будет работать как микрофон и в этом случае на резисторе R наверняка выделится частота 63 Гц. Остаётся только надеяться на то, что акустическое воздействие по воздуху будет одинаковым во всех вариантах установки колонок и, тогда если на графиках появится разница, то она и будет от передачи вибраций через пол.

Итак, контроль падения напряжений на резисторе, стоящем в разрыве акустического кабеля. При снятии первых показаний (рис.6) колонки стоят на шипах. Зелёный график – работают обе, левая громко воспроизводит частоту 63 Гц, а правая частоты 250 Гц, 1,1 кГц и 2,5 кГц с намного меньшими уровнями громкости (примерно в 6 раз относительно уровня 63 Гц). Розовый график снят при замене левой колонки на резистор сопротивлением 16 Ом - т.е. акустика отключена, звука в комнате нет, но нагрузка для усилителя и блока питания не изменилась. Сделано это для определения уровня внутрисхемного проникновения сигналов из канала в канал. Синий график – спектр шумов без сигналов, он сейчас не интересен.

Рис.6

Итак, что видно и как это понимать?

Сразу бросается в глаза разница между графиками на частотах до 100 Гц и в районе -90...-110 dB. Оказывается, что это колонка «ловит» мелкие вибрации пола и звуки за окном – у соседнего дома уже больше недели строители делают тротуар вдоль дороги и то на землю что-то роняют, то бульдозер на холостых оборотах у них работает не выключаясь, хорошо, что хоть по вечерам тихо. Помехи, это конечно, плохо, но учитывая, что они проявляются только на частотах до 100 Гц, то можно сказать, что они не влияют на более высокие частоты.

Изменение уровня пика на частоте 63 Гц понятно и в эту разницу (почти 30 dB) входят все вибрационные воздействия на основной частоте резонанса (и по полу, и по воздуху). А то, что пик кажется большим и при отключенной акустике, так следует учесть его реальный уровень -70 dB и тогда становится понятно, что это сигнал уровнем 316 мкВ (просто все остальные интересующие уровни тоже не очень большие).

Дальше по графикам. Зелёный пик на частоте 126 Гц – это вторая гармоника от 63 Гц (излучается динамиком левого канала).

И, наконец, небольшие зелёный пики ниже и выше частот 250 Гц, 1,1 кГц и 2,5 кГц. Это как раз те самые разностные частоты, возникающие при смешивании основной воспроизводимой динамиком частоты и наведённой на него вибрации (по полу или по воздуху – пока не ясно). На рис.7, рис.8 и рис.9 они видны более подробно. Смотрим на рис.7. Розовый высокий пик – основная частота 250 Гц, а на «расстоянии» от него, равном плюс/минус 63 Гц видны сигналы, которые появляются только при появлении тона 63 Гц в колонке левого канала. Видимая раздвоенность левой разностной частоты 187 Гц – это рядом с ней стоит третья гармоника от частоты 63 Гц (63 Гц х 3 = 189 Гц).

Наличие разностных частот возле 1,1 кГц и 2,5 кГц тоже есть, но там заметно повышение их уровня и при отсутствии вибрационных воздействий. Скорее всего, это говорит об ухудшении межканальной развязки усилителей при повышении рабочих частот – усилитель макетный, до конца не настроенный и пока проходит стадию «проверки жизнеспособности».

Рис.7

Рис.8

Рис.9

Так, хорошо, график замеров с шипами есть. Теперь шипы выкручиваются и показания снимаются с «измерительной колонки», установленной на пол. К предыдущим графикам добавляется ещё один – коричневый. Т.е. сейчас интересует разница между зелёным графиком и коричневым. Сначала широкая полоса обзора (рис.10).

Рис.10

И рис.11, рис.12, рис.13 с более подробной информацией о разностных частотах. Правда, цвет нового графика выбран не совсем удачно (близок к розовому), но всё же видно, что никакой разницы между зелёным и коричневым графиками нет – они просто накладываются друг на друга. Из чего можно сделать вывод, что при виброразвязке с помощью шипов, ни корпус относительно диффузора, не диффузор относительно корпуса, не изменили уровня воздействия друг на друга и можно сказать, что виброразвязка опять «не сработала».

Рис.11

Рис.12

Рис.13

Следует уточнить, что результат проведённых экспериментов относится именно к использованным при этом усилителю, акустической системе и комнате – колонки достаточно тяжёлые, а деревянный настил, на котором они стоят, достаточно сильно вибрирует (что заметно при ходьбе по нему). Всю применяемую «звуковую систему» по качеству можно отнести к начальному уровню. При разборе графиков, снятых на резисторе, надо помнить, что его сопротивление 1 Ом добавляется к выходному сопротивлению усилителя и сопротивлению акустического кабеля и при отсутствии этого резистора, разностные сигналы будут иметь намного меньшее значения. Поэтому оценить их возможные уровни очень трудно, хотя, наверное, можно попытаться измерить, подав в компьютер сигналы с зажимов акустической колонки относительно «земли» усилителя и выбрав в программе режим сравнения каналов. Но не думаю, что результат изменится.

И, возможно, есть ещё какие-то нюансы, которые с первого взгляда не были замечены и потому не учтены. Может быть, следовало изменить условия экспериментов и попробовать контролировать микрофоном или пьезодатчиком вибрации корпуса колонки… Или уровни вибраций межу полом и колонкой…

Но, в целом, можно считать, что если разница не слышна на слух и она не была обнаружена при проведении хоть и простых, но измерений, то в данном случае её нет. Возможно, что причина в начальном уровне «звуковой системы» или методике измерений, но мне почему-то кажется, что дело в массе колонок - были бы они лёгкие, откликались бы сильней на внешнее воздействие и это было бы легче заметить.

В конце, наверное, стоит показать вид применяемых шипов (рис.14). В их качестве использованы разъёмные направляющие от каких-то блоков аппаратуры. В днище колонок просверлены отверстия и метчиком №1 нарезана резьба М5 (или М6, не помню точно), в которую с усилием вкручиваются эти «шипы».

Рис.14

Андрей Гольцов, г. Искитим