Особенности автомобильных аудиосистем

В статье рассматриваются недостатки серий­ных автомобильных аудиосистем и пути улучшения их звучания.

Основная причина, которая только усугубляет ненависть аудиоинженеров к автоконструкторам, — это экономия последних на каждом центе себес­тоимости и сотрудничество при этом почти исклю­чительно с производителями аудио-аппаратуры отвратительного качества (Bose, Nokia и т.п.). Это можно объяснить разве что коррупционными мо­тивами, ведь стоимость таких аудиосистем в спи­ске опций у дилеров в разы выше, чем стоимость аналогичных систем, но приобретаемых на сво­бодном рынке.

Стандартные автомобильные УМЗЧ

Под стандартными, здесь и далее, подразуме­ваются аудиоустройства, устанавливаемые в ав­томобиль на заводе-изготовителе, либо встраива­емые в него на СТО авторизованных дилеров.

Немного поговорим об оконечном усилителе (УМЗЧ), выполненном, как правило, на ИМС. Да­же один взгляд на эту микросхему может вызвать положительные эмоции только у компьютерщика, которому чем выше степень интеграции, тем луч­ше. На самом деле компьютерные микросхемы с миллионами транзисторами внутри, каждый из ко­торых потребляет доли микроампера в режиме пе­реключения и наноамперы в ждущем режиме — это совсем другое. Звуковые устройства работают не в переключательном режиме, а в непрерывном с невысоким КПД, в котором самое главное — это внесение минимума искажений.

Произведем расчёт: возьмем усилитель с вы­ходной мощностью 50 Вт. КПД такого усилителя в среднем около 50%. Значит, в общей сложности он потребляет 100 Вт — одна половина уходит через провода на динамик, другая греет воздух. При на­пряжении питания 12,6 В это означает, что потреб­ляемый ток будет:

I = Р / Е = 7,9 А,

где:
Р — мощность,
Е — напряжение питания.

Это приличный ток, столько потребляет пара штатных ламп ближнего света. Четырехканальный усилитель будет требовать до 32 А. Это уже боль­шой ток. И предохранитель там должен быть спе­циальный, и провод должен быть толстый, чтобы не расплавиться. А теперь посмотрите на предохранитель, болтающийся на тонюсеньком шнурке, выходящем из корпуса магнитолы, — может он та­кой ток пропустить? Нет, на нем честно написано 10 А, реже 15 А. Значит, врут производители голо­вных устройств? Да, врут, притом нагло и бессо­вестно. Засудить бы их всех за обман покупателей.

Еще раз взгляните на микросхему сороконож­ку УМЗЧ — ведь внутри нее не 4, а все 8 каналов усиления. Возьмем формулу, по которой можно вычислить выходную мощность идеализированно­го двухтактного бестрансформаторного транзис­торного усилителя:

Р — Е² / 8 R,

где:
R — сопротивление звуковой катушки громкого­ворителя.

А вот Е еще на самом деле нужно умножить на коэффициент, меньший единицы, который учиты­вает неполное использование напряжения пита­ния, например, падение напряжения на открытом коллекторном переходе транзистора и коэффици­ент усиления оконечного каскада, который в рас­пространенных схемах тоже меньше единицы. Из нее следует, что мощность усилителя не может превышать (при наиболее распространенном со­противлении 4 Ом и напряжении питания 12,6 В) 4 Вт (и то это, так называемая, «максимальная», а потому сильно искаженная мощность).

Поэтому усилители подключают в «мостовую схему», т.е. такую, в которой динамик подключен между выходами двух противофазно включенных усилителей, т.е. так, что когда на выходе одного усилителя сигнал начинает возрастать, то на вы­ходе другого он начинает убывать. Если коэффи­циент использования питающего напряжения ра­вен 1, то мощность должна возрасти в 4 раза. В действительности только у самых мощных тща­тельно спроектированных усилителей это увели­чение будет 3,7 раза, что очень большая редкость, обычно 3-3,2, а то и вовсе 2-2,5 раза.

Итак, видно, что миниатюрный интегральный усилитель современного головного устройства мо­жет развить мощность от силы 10…12 Вт (рис.1). Еще раз возьмем микросхему, распилим её корпус и увидим золотые нити, идущие от полупроводни­кового кристалла к выводам, и еще раз засомнева­емся в способности этого усилителя выдать нор­мально хотя бы эти 12 Вт. Для примера, поставим рядом дискретный мощный транзистор, которые в любом настоящем УМЗЧ россыпью припаяны к пе­чатной плате, а иногда такие транзисторы по габа­ритам больше всей микросхемы. В данном случае успехи микроминиатюризации вовсе не означают успехов в качественном звуке, скорее, наоборот.

Стандартные автомобильные аудиосистемы

Чем больше занимаешься озвучкой автомоби­лей, тем больше понимаешь, что автоконструкто­ры — наши враги. Все, что они делают, идет нам, аудио инженерам, во вред. Например, для улучше­ния аэродинамики сильнее наклонили лобовое стекло — стало больше торпедо, но непропорцио­нально, в некоторых машинах, например в Audi ТТ, оно нависает уже над сиденьем. Стали комплек­товать кондиционерами — и внутреннее простран­ство торпедо больше утыкано воздуховодами, чем местами для акустики. EuroNCAP стало прак­тиковать в своих краш-тестах боковой удар, и по­перечные напольные балки стали толще и шире, мешая устанавливать ящики АС.

Последняя пакость, придуманная ими для ауди­оинженеров, — для снижения издержек лобовые стекла легковых автомобилей стали делать почти прямыми, без изгибов. Это сразу создает пробле­мы с созданием качественной стереопанорамы. Поэтому АС приходится устраиваться в том про­странстве, которое для них оставляют.

Чаще всего заводские установки предполагают установку источника звука (CD-ресивера, либо приемника с MP3 плеером и входом USB часто до­полненного видео и навигационной системами) с многоканальным усилителем, чаще всего 4-канальным, интегрированным с головным устройством, но количество каналов достигает и 14 в отдельных дополнительных блоках, установленных в багажни­ке. Нагружено это все впереди на динамики, уста­новленные в дверях, в некоторых, например BMW, в двери стоят по 3 динамика (для низких, средних и высоких частот), сзади их ставят, чаще всего, на заднюю полку седана, реже в двери или в обрам­ление подъемной полки хетчбека.

В дорогих седанах иногда дополнительно к ус­тановке в задние двери ставят в полку 2 или 4 пя­ти- или шестидюймовых динамика для улучшения звучания баса. Этим списком практически исчер­пывается фантазия заводских конструкторов. Зву­чит это всё всегда отвратительно за одним-единственным исключением — Lexus LS-400 1990-х годов со стереосистемой производства Nakamichi.

Стандартная автомобильная акустика

О ней много говорить и не стоит. Достаточно ее демонтировать и визуально сравнить с любой при­личной акустикой. В первую очередь бросается в глаза разница в размере магнита, а ведь мощность магнита определяет большинство параметров ди­намика.

Есть основная формула расчета чувствительно­сти громкоговорителя, которая пропорциональна индукции в рабочем зазоре (а это напрямую зави­сит от размера магнита), длине провода в катушке громкоговорителя, площади диффузора и обратно пропорциональна массе подвижной системы. Все это умножается на сложный коэффициент, содер­жащий под знаками радикала добротность (в сущ­ности, мощность магнита) и основной резонанс в свободном пространстве и в выбранном объеме.

Чувствительность — это звуковое давление, развиваемое громкоговорителем при подведении к нему определенной мощности. По советским гостам измерялась в паскалях на квадратный метр при мощности 0,1 Вт, сейчас в акустических децибелах при мощности 1 Вт.

Чем же играют разработчики для увеличения этого параметра? Увеличивают размеры магнита — становится неподъемным динамик, притом доро­же, применяют более эффективные магнитные сплавы для магнита — подскакивает цена, сужают зазор, в котором движется катушка, значит, мень­ше диаметр провода — меньше будет мощность, а при больших амплитудах будет задевать провода­ми за магнит. Увеличить длину провода — увеличит­ся подвижная масса, а это снижает то, что мы пы­таемся увеличить. Увеличить отношение диаметра диффузора к его массе — нужно делать более тон­кий диффузор, а как при этом обеспечить низкую резонансную частоту и снизить изрезанность амп­литудно-частотной характеристики (АЧХ)?

Это только часть проблем выбора параметров, стеной стоящих перед разработчиками громкого­ворителей. Например, среди любителей-самодельщиков считается, что легкий бумажный диф­фузор — это хорошо, ведь тогда диффузор будет быстрее откликаться на действие электромаг­нитного поля, что благоприятно отразится на та­ком «слушательском» параметре, как «микродина­мика». Хорошо-то хорошо, но ничего хорошего.

Диффузоры штатных автомобильных динами­ков (рис.2) прессуются из целлюлозной массы од­новременно с гофрированным подвесом и ворот­ником (плоской шайбой, которой подвижная часть приклеивается к диффузородержателю, который еще иначе в просторечье именуется «корзиной»). Это обеспечивает минимальную себестоимость, но, оказывается, снижает качество.

На самых низших частотах диффузор колеблет­ся вместе со звуковой катушкой как единое целое, и АЧХ получается ровной. С повышением частоты из-за ограниченной скорости звука в материале диффу­зора он перестает быть монолитом, и различные его участки начинают колебаться самостоятельно. По­глощение энергии этих колебаний в целлюлозе не­велико, волны проходят через подвес к диффузоро­держателю и отражаются от него. Усугубляет ситуацию и наличие коаксиально установленного в мидбас динамик СЧ-ВЧ излучателя (рис.3).

Отраженные и прямые волны образуют стоячие волны, из-за чего на АЧХ возникают глубокие пи­ки и провалы, нередко превышающие 10 дБ. При этом возникают структурные призвуки, когда от­дельные участки диффузора излучают на собст­венных частотах, которые обеспечивают появле­ние пиков на АЧХ, высота которых порой может достигать и все 20 дБ.

Во-первых, борются с этим применением под­весов с высокими потерями на вязкое трение, ча­ще всего из резины и резиновой «пены». (Понят­но, что под словом «резина» имеются в виду современные полимерные материалы).

Второй способ улучшения линейности АЧХ — это применение материалов диффузора с повы­шенным внутренним затуханием. Так, например, динамики Пауэрампер серии SP имели диффузор из смеси целлюлозы с тонкой шерстью и пропит­кой авторской медленно сохнущей мастикой. В ре­зультате не было динамиков, равных этим SP по качеству звучания. Ровный характер АЧХ обеспе­чивает, например, полипропилен, который перво­начально был применен в автомобильной акусти­ке из-за стойкости к атмосферным воздействиям. Но в наиболее высококачественных громкоговори­телях используются довольно дорогие смеси на­туральных и полимерных материалов.

Еще одним важным фактором является величи­на рабочего хода катушки. Звучание динамика яв­ляется неискаженным только тогда, когда одно и то же количество витков звуковой катушки нахо­дится в зоне равномерного распределения сило­вых магнитных линий. Если взглянуть на динамик, то чаще всего кольцевой ферритовый магнит на­ходится между двумя железными шайбами, из ко­торых верхняя, находящаяся ближе к диффузору, и определяет упомянутую зону. Практически все­гда длина звуковой катушки больше толщины этой шайбы.

В публикациях, посвященных конструкциям динамиков, упоминаются и другие варианты, но они в промышленности не применяются. Так вот, рабочий ход звуковой катушки не может быть больше половины разницы между длиной катуш­ки и толщиной шайбы. Большой ход — это хорошо для снижения искажений и повышения отдачи на низких частотах: чем больше ход, тем ниже ниж­няя граница воспроизводимых частот и больше предельно достижимая громкость. Но большой ход — это плохо, так как из-за недоиспользования всей длины катушки происходит потеря КПД. Де­шевые динамики имеют малый ход, что позволяет на небольших мощностях иметь высокий КПД даже с маленькими магнитиками. Но стоит толь­ко подать больше мощности или более низкие ча­стоты, так сразу катастрофически начинают рас­ти искажения.

Итак, что из всего вышесказанного вытекает? То, что в автомобильной аудиосистеме должен присутствовать отдельный усилитель и прилично­го качества динамики. Достаточно ли этого для ка­чественного воспроизведения музыки? Оказыва­ется, что нет. Оказывается, что не учтено еще два фактора — адекватное воспроизведение баса и по­строение стереопанорамы («звуковой сцены»).

Воспроизведение баса

Проблему воспроизведения баса разделим на два подпункта. Первый придется начать с понятия «добротности». Добротность контура означала повышение напряжения в колебательной системе на частоте резонанса, что очень важно, например, в радиоприемниках. Там добротность колеба­тельных контуров достигает десятков и даже со­тен. Благодаря этому, например, нам удается среди миллионов источников помех поймать сиг­нал именно «нашего» сотового передатчика. А вот для резонансной системы, которой является динамик, высокая добротность только вредит. Так, при добротности, равной или больше единицы, ди­намик помимо сигнала, подаваемого на него, бу­дет излучать призвуки — сигналы с частотой, рав­ной половине подаваемой частоты, а также сигнал с частотой, равной резонансной частоте динами­ка. Причем из-за того, что эти призвуки не нахо­дятся в целочисленном соотношении с музыкаль­ным сигналом, они будут отчетливо слышны и будут портить звук, создавать эффект бубнения на одной ноте. При высокодобротной подвижке ди­намик будет излучать только частоты, близкие к резонансной частоте. К счастью, для равномерно­го излучения частот выше резонансной, амплиту­да должна падать с повышением частоты. Это сча­стливое явление обеспечивает ровную АЧХ, чему, впрочем, мешают явления, рассмотренные ранее.

Но требуемое увеличение амплитуды движения диффузора при подаче все более и более низкоча­стотных звуков достаточно быстро упрется в рас­смотренное выше предельное смещение диффузо­ра и не позволит создать адекватное звуковое давление. Проблема решается просто, но дорого — установкой дополнительного динамика со значи­тельно большей площадью диффузора и большим его ходом (рис.4) и, соответственно, с дополни­тельным каналом усиления. Такой динамик называ­ется сабвуфером. Вот так в нашей аудиосистеме появился новый элемент, притом весьма недеше­вый. Если считать стоимость системы вместе со стоимостью всей инсталляции, то для низко и среднебюджетных систем стоимость введения в нее сабвуфера составит примерно столько же, как и вся предыдущая система, а зачастую и больше.

Правильный бас и стереопанорама

Эти элементы рассматриваются вместе пото­му, что имеют неразрывную взаимосвязь, как ни странно это звучит. Как традиционно устанавлива­лись динамики в автомобили (как, впрочем, зачастую и сейчас)? Либо в двери, либо в Торпе­до. Установка в торпедо имеет ряд недостатков. Так, торпедо представляет собой открытый ящик с малой отдачей на низких частотах, да и в звуко­вую сцену вносит огрехи. При дверной установке динамики смотрят друг на друга, т.е. работают в противофазе. Из-за того, что динамики располо­жены на расстоянии 1,2…1,4 м, противофазное соотношение возникает на целом ряде частот. В ре­зультате на АЧХ образуются провалы на частотах в диапазоне 100…300 Гц. А это область самых важ­ных для баса обертонов.

Напомню важные факты, связанные с этим. Лю­бой реально существующий музыкальный звук не является простым. Звук даже единственного ин­струмента, не аккорд, состоит, как минимум, из ос­новного тона и набора обертонов, высота которых относительно основного тона примерно соответ­ствует натуральному ряду чисел 1, 2, 3 и т.д. В момент звукоизвлечения, называемый атакой, сна­чала появляются обертона, а уже потом основной тон, потом основной тон растет, а обертона зату­хают, начиная с высших. Вот этот набор обертонов называется спектром. Закон изменения спектра во времени называется тембром.

У целого ряда инструментов в спектре присут­ствуют шумовые компоненты, а в металлических ударных каждый следующий обертон отдаляется все больше от частот, кратных целым числам, ум­ноженным на частоту основного тона. При этом сами частоты обертонов не остаются постоянны­ми, а плывут по частоте. Все это вместе взятое и составляет отличие живого звука от электронно­го: мертвого, однообразного и скучного.

Вернемся к басу и стереоэффекту. Считается, что нельзя определить направление на источник звука, если его частота ниже 300 Гц. Нынешние радиолюбители-самодельщики берут сабвуфер, со­единяют его с кроссовером (разделительным фильтром), выставляют на нем частоту 300 Гц, включают музыку, слушают и говорят: «Ну, как же, я прекрасно слышу направление на него». При этом забывают, какие фильтры применяются. А это в лучшем случае 12 дБ/октава, т.е. звук с частотой 600 Гц будет ослаблен всего в 4 раза, а 1200 Гц, находящийся в области наивысшей чувствитель­ности слуха — всего в 16 раз. С учетом нелинейной АЧХ слуха — это немного, слух эти частоты слышит уверенно и локализует точно.

А в корректных опытах основоположников аку­стики использовалась не музыка, а чистый сину­соидальный тон от генератора. Локализации в этом случае действительно нет. Эта частота раз­дела (300…400 Гц) используется в домашних трехполосных колонках (настоящих, с большими «басовиками» диаметром 25…30 см). И это пра­вильно, потому что здесь находятся самые «вкус­ные» обертона басовых звуков, определяющие их тембр, рельеф, артикуляцию и энергетику.

В автомобиле мы вынуждены нарушать эту идиллию из-за невозможности размещения в пе­редней части салона автомобиля пары излучате­лей, эффективно воспроизводящих частоты во всей необходимой полосе, начиная с 20 Гц. Поэто­му приходится басовую полосу (от 20 до 315 Гц) делить.

Обычно частоты от 20 до 80 Гц играет специаль­ный большой длинноходный сабвуфер в багажнике автомобиля, а вторые две отдаются малокалибер­ному излучателю верхнего баса, так называемому, мидбасу. Впрочем, до 300 Гцони играют редко, но это тема будет раскрыта позже.

Почему делим так? Основная причина — ог­раниченность возможностей кроссоверов. Я ставил опыты по восприятию басовых звуков, подключая сабвуфер в багажнике через каскад кроссоверов. При частоте среза 80 Гц и крутиз­не фильтра 12 дБ/октава уверенно было слыш­но, что сабвуфер находится в багажнике, и толь­ко специальные меры помогали устранить этот эффект.

Увеличение крутизны до 24 дБ/октава заметно снижало этот эффект, 36 и тем более 48 дБ/октава делали локализацию сзади несущественной. Наилучший эффект был достигнут при крутизне 60 дБ/октава. Больше не проверялось — просто под рукой не было нужного кроссовера.

Из этих опытов следовал еще один вывод: чем выше крутизна фильтра, тем выше частоту разде­ла можно применить. Нужно учесть и такой фактор: когда сабвуфер играет на грани рабочего хода диффузора, а усилитель на грани максимальной выходной амплитуды сигнала, то они сами начи­нают генерировать обертона — нелинейные иска­жения, которые тоже будут отчетливо слышны и будут влиять на заднюю локализацию баса. Так вот, если крутизна фильтра 36…48 дБ/октава, то можно частоту раздела повысить до 120 Гц, а при 60 дБ/октава — и до 160 Гц! При этом разительным образом возрастает энергетика баса, поскольку в полосе первых двух октав сосредоточена меньшая часть энергии баса.

Но, как уже говорилось ранее, дверная установ­ка мидбасов не обеспечивает эффективного вос­произведения диапазона, в котором находятся ба­совые обертона, вследствие чего нарушается слитность басовых звуков и снижается энергети­ка. Выход из тупика, в котором до сих пор пребы­вает автомобильная промышленность (которой, по всей видимости, наплевать на своих потребите­лей) — это расположение мидбасовых динамиков так, чтобы диффузоры двигались в одну сторону, а не взаимно противоположно.

Решение к середине 1990-х нашли участники аме­риканского автозвукового движения, расположив мидбасы на полу. Некоторые из них просто выреза­ли в полу своих джипов дырки и монтировали туда ди­намики. В их жарком засушливом климате это оправ­данное решение. Нам такой вандализм ни к чему.

Мы динамики устанавливаем в напольные ящи­ки (рис.5). Мидбасы в них установлены в одной плоскости строго горизонтально и работают син­хронно в одну сторону, т.е. синфазно, благодаря чему не гасят друг друга, а усиливают. Преимуще­ства этого способа установки мидбасовых дина­миков многочисленны:

• воспроизведение басов становится слитным;
• при правильной фазировке бас всегда ощуща­ется исходящим спереди;
• бас богаче, энергичнее, громче.

Одновременно выстраивается ровная, симме­тричная и высокая звуковая сцена. Средние часто­ты, которые в дверной установке излучаются куда-то в область под ногами и теряются там (в некоторых автомобилях глубина провала на часто­тах выше 1000 Гц превышает 10 дБ или в 3 раза), в напольной установке излучаются вертикально вверх и, отразившись от лобового стекла, напря­мую попадают в уши слушателя, благодаря чему они лучше слышны и попросту громче. Суммарная разница в звуковом давлении по сравнению с двер­ной установкой достигает 5…6 дБ, т.е. в 2 раза.

Итоги

Что еще мы не рассмотрели? Многополосные системы? И не будем. Это полезно в домашних АС, так как сужение воспроизводимого диапазона ча­стот в каждой полосе благоприятно для снижения интермодуляции верхних частот нижними. Это вы­годно для автомобильной 12-вольтовой индуст­рии, так как трехполосные системы стоят гораздо дороже. Это довольно эффективно в случае двер­ных соревновательных процессорных систем, но во всех остальных случаях простому потребителю и вдумчивому аудиофилу это совсем невыгодно и не хорошо с акустической точки зрения.

Таким образом, правильная качественная авто­мобильная аудиосистема должна обязательно включать в себя усилитель, сабвуфер и обладать напольным расположением фронтальных мидба­сов с СЧ-ВЧ излучателями.

Автор: Виктор Попович, г. Калуга
Источник: журнал Радиоаматор №1, 2016