Основная причина, вызывающая наше недовольство существующими акустическими системами — ненатуральность звучания, порождённая малой похожестью сигнала звукового образа (сигнала, который требуется воспроизвести) на акустический сигнал электроакустического излучателя и причина этому в том, что на излучатели подаётся не тот сигнал, который требуется. Автор решил задачу для расчёта сигнала напряжения U, подаваемого на излучатель, в форме сферической оболочки, совершающей — симметричные пульсации, как функции от величины P, акустического давления, которое хочется создать, с тем, чтобы он изучал акустический сигнал с давлением пропорциональным P. Проведена проверка правильности решения применительно к динамической звуковой головке, что позволило существенно лучше воспроизвести тестовые акустические сигналы отличные от стационарного синусоидального сигнала.
Процесс улучшения качества воспроизведение звука путём воссоздания акустического сигнала из его записи (звукового образа) идёт непрерывно. Чтобы понять, где слабые места разобьём процесс воспроизведения звука на составные части и проведём анализ положения дел в каждой.
Неотъемлемой частью воспроизведения звука можно считать сам процесс звукозаписи. Качество здесь обеспечивается:
а) приёмником акустического сигнала,
б) форматом записи,
в) качеством носителя.
На данном этапе развития все вопросы решаемы.
Затем идёт процесс: а) считывания и б) восстановления сигнала в виде сигнала напряжения по записи, сделанной на носителе сигнала. На данном этапе развития непреодолимых трудностей нет, хотя маразма и глупостей хватает. Наконец последний этап — процесс создания акустического сигнала путём подачи на электроакустический излучатель сигнала напряжения. С этим тоже всё в порядке.
Итог всего этого процесса ненатуральность звучания любой акустики. Так в чём же дело? Обычно ссылаются на неидеальность электроакустических излучателей и приводят соответствующие примеры, но почему-то забывают об «очевидном-невероятном», почему на неидеальный электроакустический излучатель посылают сигнал, предназначенный, для идеального излучателя? На данном этапе развития электроакустических излучателей они вполне хороши. Это весьма совершенные устройства, характеризующиеся некоторым набором физических параметров с их высокой повторяемостью.
Электродинамический громкоговоритель был создан в далёком 1898 году и уже в течение 116 лет для создания звукового образа используется метод воссоздания звука путём подачи напряжения пропорционально значению записанного на носитель звукового давления. На электроакустический излучатель традиционно подаётся сигнал напряжения U = k U, (1), где k — коэффициент, определяющий уровень громкости; P — акустическое давление, которое хочется создать. Этот способ позволяет электродинамическому громкоговорителю без существенных искажений воссоздавать лишь стационарный синусоидальный сигнал, причём со сдвигом по фазе, который зависит от частоты. Все остальные сигналы воспроизводятся тем хуже, чем более их форма отличается от этого сигнала. Не удивительно, что измерения подтверждающие «высокое качество» акустических систем проводятся именно с синусоидальными сигналами, со всеми другими они были бы просто удручающими. Если бы излучатель был идеальным, т.е. представлял бесконечную плоскость, не имеющую массы, совершающую движения как единое целое по своей нормали, а его движитель, по направлению к нормали, создавал движущую силу величина, которой пропорциональна величине подаваемого напряжения U = k P, то в среде создавалась бы плоская волна с акустическим давлением пропорциональным P. За редким исключением акустические излучатели имеют отличную от нуля массу излучающего элемента, имеют жесткость подвеса, индуктивность, ёмкость и другие физические параметры, которые нужно соответствующим образом учитывать для того, чтобы излучатель создавал акустический сигнал, давление которого пропорционально P.
В случае для ДЗГ, на физическом уровне, задача сводится к описанию осциллятора, совершающем движение под воздействием силы и излучающим звук поверхностью ограниченного размера, при этом движитель, создающий силу, имеет заданное входное сопротивление и т.п. Очевидно, что формула (1), не учитывает физических характеристик излучателя. По этой причине существуют уже 116 лет одни и те же претензии к ДЗГ, но претензии, дорогие товарищи, нужно предъявлять к себе. Что посеешь — то и пожнёшь. Что подашь на ДЗГ — такой звук и получишь! Такой же подход, согласно формуле (1), существует к подаче сигнала на электроакустические излучатели других типов и тот же результат на выходе.
Эти странности меня заинтересовали и в течение двух лет, в свободное от работы время, я занимался решением данной задачи. Собственно решение заняло в общих трудозатратах не так уж много времени. На первом этапе я определялся с языком написания программ, когда определился, изучал Си++, написал нужные программы, заодно разобравшись со стандартом звуковых файлов, раскурочив их в машинных кодах, закупил оборудование для экспериментальной проверки результатов. Если учесть, что физикой я не занимался с 1979г., то понятно, что была некоторая трудность в выполнении поставленных задач. В сентябре 2002г. был получен и проверен окончательный вариант решения задачи. В 2010г. я решил, что нужно обнародовать полученные результаты, потому даты на снимках именно этого года. В результате проведённой работы была получена формула для сигнала напряжения, подаваемого на электроакустический излучатель, как функции от величины акустического давления, которое требуется воспроизвести на некотором расстоянии по оси излучателя U = ƒ4(r) P′′+ ƒ3(r) P′+ ƒ2(r) P+ ƒ1(r) ∫ P exp(-(t- t′)/t0)dt′+ ƒ0(r) ∬ P exp(-(t- t′)/t0)d²t′ (2) где P — акустическое давление, которое хочется создать; P′, P′′– первая и вторая производные давления по времени; t – текущее время; t′ – переменная интегрирования по времени; t0 – величина, характеризующая время затухания колебательной системы; r – расстояние от излучателя по его оси; ƒ0(r) - ƒ4(r) – функции, зависящие от физических параметров излучателя и r; интегралы берутся от t′ = 0 до t. Внешний вид формулы с первого взгляда внушает ужас, но в жизни всё проще. Использование формулы (3) не требует большой вычислительной мощности. В далёком 2002 году Pentium 286 пересчитывал с кратным запасом по мощности. Нас как потребителей волнует звук в некоторой точке прослушивания, куда мы ставим микрофон. Затем мы подаём простые тестовые сигналы по типу тех, что приведены ниже в качестве тестовых сигналов. Через полчаса неутомительной работы вручную с помощью тестовых сигналов можно подобрать коэффициенты a4, a3, a2, a1, a0, t0 для данной точки прослушивания, в формуле вида U = a4 P′′+ a3 P′+ a2 P+ a1∫P exp(-(t-t′)/t0)dt′ + a0∬P exp(-(t-t′)/t0)d²t′ (3)
Использование автоматической калибровки по протоколу этот результат даст не более чем за 1-2 минуты. Интересная особенность, если воспроизводить стационарный синусоидальный сигнал P = P0 sin ωt формула (3) для U будет иметь вид U = U0 sin (ωt+φ), где ω – частота, φ – сдвиг по фазе, причём величина φ будет меняться в зависимости от частоты и сдвига по фазе между подаваемым P = P0 sin ωt и излучаемым сигналом не будет! Выведенная зависимость U от P подходит и для многих других типов акустических излучателей (например электростатов), а зависимость величин ƒ4(r), ƒ3(r), ƒ2(r), ƒ1(r), ƒ0(r) от физических параметров излучателя позволяет учитывать их нелинейности, например изменение жёсткости подвеса от величины смещения и зависимость различных параметров от температуры. Применение формулы (3) для динамической звуковой головки показало существенное улучшение воспроизведения тестовых акустических сигналов. Сигналы излучались в не заглушенной комнате ДЗГ с полимерной мембраной диаметром 165 мм акустической системой центрального канала Audio Pro “Black Vector”. Пассивная головка была снята, отверстие закрыто. Источником сигнала служил персональный компьютер, использующий звуковую плату с параметрами: частота дискретизации 44,1 КГц, разрядность 16 бит.
На рисунках индексом (а) воспроизведение акустического сигнала происходило при традиционном способе формирования сигнала напряжения по формуле (1). На рисунках индексом (б) воспроизведение акустического сигнала происходило при формировании сигнала напряжения согласно формуле (3). Разница в качестве воспроизведения сигналов очевидна.
Пары сигналов (а) и (б) расположены на одинаковых местах на экране осциллографа т.к. прямоугольные импульсы синхронизации развёртки осциллографа подаются в одинаковые моменты фаз. Подписи к рисункам. Фото верхние снимки. Воспроизведение акустического сигнала последовательности прямоугольных импульсов скважность 2, F= 110,2 Гц (T = 400 отсчётов, время соответствующее одному отсчёту 1/44100 сек), расстояние до микрофона L = 1м: слева – воспроизведение акустического сигнала традиционным способом U = k P;справа – воспроизведение по формуле (3). Фото нижние снимки. Воспроизведение акустического сигнала последовательности одиночных синусов F= 110,2 Гц (T = 400 отсчётов), расстояние между синусами 1500 отсчётов периодичность сигнала 23,2 Гц (общий период 1900 отсчётов), расстояние до микрофона L = 0,5м:слева – воспроизведение акустического сигнала традиционным способом U = k P;справа – воспроизведение по формуле (3).