Сделай саб: как самому сделать сабвуфер

Филипп Баранов,
a.k.a. mix2r@

Клубный календарь движется к своему пику: новогодние каникулы, Татьянин День, День Святого Валентина, 23 февраля/8 марта, и почти все. Оглянуться не успеешь, как клубный сезон закончится, и начнется сезон мероприятий на открытом воздухе. По итогам прошлого open air сезона многим действующим промоутерам и аппаратовладельцам захочется оснастить свою саундсистему* более серьезными сабвуферами. Одновременно общие тенденции таковы, что вовсе не хочется тратить много денег. Тем более что в нашей среде в достатке не только креативные умы, но и умелые руки. Да и как отказать себе в удовольствии сделать такие нужные вещи, как сабвуферы, своими руками, потом их оттестировать, а результат обсудить с коллегами (по другой версии – отпраздновать)?

* Статьей «Техника танцевальных саундсистем» («Шоу-Мастер» №2-2008 г.) мы открыли серию материалов, посвященных саундсистемам.

Рупорные сабвуферы

Не секрет, что энтузиасты танцевального звука и некоммерческих саундсистем предпочитают эффективные решения любым другим. Такие критерии, как модный дизайн, райдерность, туровость, компактность при перевозке и инсталляции учитываются в последнюю очередь. Бренды и шильдики здесь оказываются не так важны, как в коммерческих приложениях: если аппарат «звучит», «качает» и «рулится», то в родословную никто не заглядывает. Рупорную акустику вообще, и сабвуферы в частности, отмечают за высокую степень реализма и присутствия. И как только на первый план выходят звучание, отдача, эффективность и низкая затратность, становится ясно, что речь идет о рупорах. Хотя это еще как посмотреть: многие, если не большинство клубов и саундсистем с мировым именем, со своим стилем, традициями, служащие эталоном для профессионалов и любителей хорошего танцевального звука, имеют в оснащении как мелкосерийные решения или элементы, выполненные на заказ, так и целиком спроектированные и изготовленные (custom) авторские суббасовые системы, когда имя автора известно только специалистам. Другими словами в крутых клубах зачастую установлены не поточные коробки с раскрученными шильдиками на решетках, а рупоры-самоделки.
Экстремальные, особенно сложные рупорные решения, которыми неудобно торговать в розницу, редко производятся серийно. Рупоры имеют сравнительно большие размеры, дороги и сложны в серийном изготовлении, поставить на поток их производство и серьезно снизить расходы/увеличить прибыль не так уж легко, а транспортировка в другую страну/на другой континент недешева. Поэтому рупорные сабвуферы известных брендов представлены не слишком широко. Одновременно рупорные схемы сабвуферов привлекательны для самодельщиков. К тому же энтузиастам – самодельщикам вовсе не обязательно что-либо «передирать» у фирмачей или проектировать самостоятельно. В свободном доступе имеется множество отличных проверенных схем рупорных сабов (см. http://forum.show-master.ru/topic5361.html) достаточно повторить имеющиеся наработки. Зачастую можно получить консультацию автора разработки на сайте, почтой или попросить разъяснений в форуме у более опытных коллег, имеющих опыт построения таких систем, если что-то не ясно. Очень привлекательное сочетание для самодельщиков: в рупорных системах драйверов и усилителей нужно меньше, что ведет к снижению денежных затрат, а эффективность и качество достигаются исключительно своим умом и трудом.

Привлекательность рупоров

Максимальная эффективность басовых рупоров достигает 50%. Средние значения могут быть меньше, но и такие цифры смотрятся очень выигрышно на фоне фазоинверторов (2-5%). Исключительно высокая эффективность рупорных громкоговорителей вовсе не означает, что их главное достоинство – это возможность использовать усилители на небольшой мощности. Наоборот, рупорами мы можем нагрузить драйверы и усилители понастоящему, получить от них максимум без ущерба для условий эксплуатации. Принципиальным преимуществом, следующим из высокой чувствительности, является то, что амплитуда перемещения диафрагмы головки громкоговорителя будет существенно меньшей, чем для всех остальных видов оформления. Поэтому резко снижаются искажения, вызванные большой амплитудой смещения диффузора. Поскольку грамотно спроектированный рупор сам по себе искажений почти не вносит, излучаемый звук оказывается очень высокого качества.

Немного терминологии и теории

В рупоре (horn) говорят о горле (throat), самом узком месте ближе к драйверу, и устье, раструбе или рте (mouth) – самом широком месте, выходной части рупора, из которой «дует» на слушателя. У рупора есть ось (axis), длина (length), которая меряется по оси, и нижняя граничная частота Fs.
 Рупор это акустический трансформатор, преобразовывающий акустическую энергию высокого давления и низкой колебательной скорости в районе горловины в низкое давление и высокую скорость в раструбе. Основные требования акустического рупора таковы:
• Горло должно быть правильно согласовано с источником сигнала (драйвером).
• Выходное отверстие должно быть правильно согласовано с нагрузкой в виде объема воздуха в помещении либо рассчитано при работе в стеке – в составе группы басовых рупоров
• Рупор должен функционировать в определенном диапазоне входной мощности и частоты.
• Для басовых рупоров очень важна жесткость конструкции (деформация кабинета должна быть минимальна).
• Рупор с площадью горловины существенно меньшей площади диффузора драйвера обладает большим КПД и называется узкогорлым.
• Рупор с горловиной, равной или большей площади диффузора называют широкогорлым. В начале своей истории басовые рупоры в восновном были широкоголыми. Основная причина тому – не было динамиков с мощным «мотором».
• Басовый рупор эффективен в диапазоне 2-4 октав. При попытке расширения диапазона рупора резко растет неравномерность по краям диапазона, увеличиваются искажения, и падает отдача.
• Верхняя граничная частота определяется, помимо прочего, объемом предрупорной камеры. При увеличении ее объема – начинается спад в верхней части диапазона а при уменьшении – происходит расширение полосы в верхней части диапазона. Таким образом, предрупорная (компрессионная) камера является акустическим фильтром со спадом 6 дБ/октаву.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой увеличивается по математическому закону в зависимости от расстояния от горловины до раструба. Низконастроенный одиночный рупорный саб должен иметь раструб очень большой площади (2-3 кв. м) и проточную часть, по крайней мере, 6 м. Такие цифры выглядят непрактично, поэтому, чтобы рупор помещался в корпус саба разумных размеров, его сворачивают и называют «свернутый рупор» (folded horn), делают прямоугольным в сечении и иногда раздваивают (bifurcated horn). Ось рупора и проточная часть при этом приобретают профиль. Свернутые рупоры нам знакомы еще со времени перехода от граммофонов на патефоны.
Таким образом, четыре основных параметра рупора: площадь рта, площадь горла, математическая формула профиля расширения и длина. Любые три из них определяют четвертый и, следовательно, непосредственно характеристики рупора. Нужно отметить, что многократные отражения, поглощения, резонансы и изменения направления в свернутых рупорах в сочетании с труднопредсказуемостью работы секций некруглого сечения дают расхождения с поведением идеализированной модели прямого круглого рупора, которая поддается математическому обсчету по четырем параметрам рупора. Как только выбирается сечение некруглой формы, и ось отличается от прямой, проблема усложняется настолько, что математических и физических концепций для проектирования уже оказывается недостаточно. Однако основные характеристики даже свернутых рупоров определены известными акустическими принципами, и любое отклонение от теории остается обоснованным. Надо заметить, что басовые рупоры в сравнении с ВЧ/СЧ-рупорами наименее чувствительны к целому ряду отклонений от расчетных данных.
Частота среза Fs является самой низкой частотой, при которой рупор передает акустическую мощность, поэтому постоянная расширения определяет низшую воспроизводимую частоту конкретного рупора. Постоянная расширения может быть рассчитана для любой выбранной частоты среза, на ее основе выбирается профиль рупора. Когда рот меньше длины волны, отражения в раструбе вызывают нежелательные пики и провалы амплитудно-частотной характеристики вблизи нижней граничной частоты. Если размеры рта сильно ограничены, увеличивают нижнюю граничную частоту до значения, соответствующего размеру рта, во избежание неравномерности в самом низу АЧХ. Раструб является сопряжением рупора с окружающим пространством, если длина рупора не является бесконечной, рано или поздно звуковая волна покидает рупор. Для идеального сопряжения выходное отверстие должно иметь бесконечную площадь. Однако если его периметр в 4 раза больше длины волны на нижней рабочей частоте, то его акустическое сопротивление от бесконечно большого рупора будет отличаться несущественно. Если принять уменьшение сопротивления в 6 дБ, периметр выходного отверстия может быть равным длине волны на частоте среза. По мере уменьшения площади ниже Sm=lc в квадрате/4 p, где lc – длина волны Fc, нелинейность акустического сопротивления значительно растет.
Но если учитывать размещение в помещении (посреди танцпола, у стены или в углу) рупор с частотой среза 56 Гц (длина волны 6,1 м) потребовал бы раструба площадью 3 кв. м в случае свободного пространства, 0,74 кв. м при размещении у стены, и всего 0,37 кв. м в углу, при этом отклонение акустического сопротивления будет меньше, чем 6 дБ.

Схемы сворачивания басовых рупоров

W-bin

Этот тип свернутых басовых рупоров можно отнести к родоначальникам. W-bin сабы пришли из кинопроката, именно киноиндустрия стала главным стимулом развития звукоусиления. Одними из первых такой тип свертывания низкочастотных рупоров применила команда инженеров RCA под руководством Г.Олсона. Cвоим названием схема обязана тому, что в плане проточная часть напоминает букву W. В киноиндустрии этот саб стал известен под названием Shearer. Из особенностей можно отметить высокую эффективность под 50% и очень широкую полосу 50-800 Гц c неравномерностью +/-2 дБ.
А так же большие габариты. В дальнейшем такой тип свертывания сабов нашел широкое применение в серийной продукции: JBL, EAW, Klipsch, Electro-Voice, Fane. Многие производители драйверов предлагают бесплатные чертежи W-bin корпусов, например Ciare и Selenium. W-bin современного исполнения гораздо компактнее Shearer, имеют меньшее выходное отверстие, более ранний спад НЧ и предназначены работать в стеке. Проточная часть настраивается на 42-45 Гц. АЧХ по-прежнему ровная и простирается очень высоко в среднебасовый диапазон. W-bin обладает быстрым и весьма артикулированным басом с хорошими временными характеристиками, достаточной дальнобойностью, может успешно работать как в больших, так и в небольших помещениях. Также хорошо будет работать на открытом воздухе, проигрывая в эффективности лишь более «длинным» рупорам. Причина – сравнительно короткий (около 1 м) рупор и высокая граничная частота даже в стеке. Решения W-bin активно используются в современных танцевальных саундсистемах. Пример – басовый кабинет В-6 популярной серии Alpha Concept компании Dynacord.

Scoop

Ковши (scoop) – самые традиционные и любимые басовые кабинеты танцевальной сцены, причем какое-то подобие ковшей встречается как на фотографиях саундсистемы Кинга Табби в хип-хоповых клубах, так и во вполне современных инсталляциях в D`n`B клубах. Кабинет напоминает ковш, отсюда и название. Упрощенные варианты ковшей выпускаются серийно некоторыми фирмами. Рупор нагружает заднюю поверхность диффузора и выше определенной частоты его «подхватывает» фронтальная сторона диффузора, на месте перехлеста есть небольшой провал АЧХ. Ковши в сравнении с фронтальными рупорами обладают более жирным звуком и выше создают давлении в ближней зоне. Одновременно у ковшей быстрый, плотный, рупорный бас без намека на гудение присущее некоторым другим акустичесим оформлениям. Это свойство способствовало их распространению на закрытых пощадках, где длинные фронтальные рупоры еще не могут раскрыться. Существуют и доступны раскрои для 15” драйверов, 18” и 21”. Великолепно зарекомендовавшие себя чертежи с картами раскроя встречаются на сайте известного дизайнера Рога Могейла (www.speakerplans.com).
Среди ковшей легендарный кабинет Waldorf, спроектированный Ричардом Ф. Лонгом. Множество Waldorf также было в Studio54 и Paradise Garage.

C-bin

C-bin называют сабвуферы, когда в результате свертывания проточная часть рупора в плане напоминает букву С. Это очень популярный кабинет с узкогорлым рупором, свою популярность он получил, прежде всего, именно у самодельщиков(!) за счет простоты в изготовлении. При этом каждый правильный C-bin обладает хорошей эффективностью за счет достаточно длинной проточной части и немалого раструба. Одним из первых такой вариант сворачивания был применен в схеме Earthquake. Cerwin Vega 36, популярный саб, выпускавшийся серийно в нескольких модификациях, также выполнен по такой схеме. C-bin довольно низко настроен 36-38 Гц, но отлично работает в стеке от четырех штук, образуя большое составное устье.

S-bin

Свернутый басовый рупор, чья проточная часть напоминает литеру «S» Это один из самых популярных современных типов свертывания басовых рупоров. Свертывание по S-схеме применялось и применяется очень многими серийными изготовителями (Martin Audio, EAW). Существуют S-bin схемы очень популярные у самодельщиков от Speaker Guru и Рога Могейла. Свертывание S-типа позволяет уместить в компактном корпусе длинную проточную часть. Очень высокая эффективность конструкции помимо длинной проточной части рупора достигается и за счет большого выходного отверстия. Важная особенность: геометрия раструба построена таким образом, что в стеках по четыре они образуют цельный раструб большой площади, расширяющийся по заданному математическому закону. Также стоит отметить очень низкую граничную частоту 28-32 Гц.
Минусы – область применения ограничена мидбасом, большими и средними помещениями. S-bin очень дальнобойный и успешно работает на открытых площадках. В сравнении с W-bin и C-bin, S-bin трудоемок в изготовлении.

Дабл W-Bass Horn

Вслед за W-bin появились дабл W-Bass Horn. Их производили Electro-Voice, EAW и др. Они обладают большей эффективностью т.к. длина их проточной части значительно больше. А также они имеют большее выходное отверстие. О схеме, знакомой нам по BH-882 (EAW) следует сказать поподробнее. Она была разработана американским конструктором Ричардом Ф. Лонгом. Этот сабвуфер стал поистине культовым. Он не просто легенда прошлого, которой оснащались топовые клубы Нью-Йорка 70-80-х, такие как Studio 54, Paradise Garagе, но и по сей день он изготавливается под заказ некоторыми американскими фирмами и инсталлируется в лучшие клубы мира – Ministry of sound, ZOUK, Gatecrasher и др.
W-BassHorn BH-882 имеет высокое давление, прекрасные скоростные характеристики, динамику, а его частотная характеристика простирается вглубь инфранизких частот. Но конечно и габариты его удивляют. 

Рекомендации по подбору драйверов

Схемы, имеющиеся в свободном доступе, часто рассчитаны на небольшой диапазон драйверов с конкретными параметрами. Размер (18``, 15``) обычно указывается самым первым. Но кое-какие рекомендации и здесь тоже уместны.
Для получения 120 дБ в партере саб должен развивать130 дБ у раструба рупора. Далее по цепочке это превратится в 150 дБ у горловины рупора и 170 дБ вблизи мембраны. 195 дБ – это давление в одну атмосферу, так что можно понять, что мы имеем дело с очень большими колебаниями давления возле драйвера, это уже похоже на насос. На таких высоких уровнях звукового давления воздух ведет себя, как ярко выраженная нелинейная акустическая среда. Поэтому в случае рупорного нагружения такой параметр, как основная резонансная частота (Fs) драйвера уже не столь критичен – драйвер работает, как поршень, а частоту создает само рупорное оформление сабвуфера. Частота основного резонанса не слишком важна, но от динамиков с высокой резонансной частотой Fs очень сложно получить хорошее звуковое давление ниже этой частоты.
Отличным примером большого разнообразия основных параметров могут служить драйвера итальянской фирмы RCF. За это их любят не только самодельщики и отечественные производители, но и такие компании, как Martin Audio, EAW, Yorkville, Mackie. 

T/S или параметры Тейла-Смолла (Thiele/Small)

Драйвер рупорного сабвуфера отличается высоким BL-фактором («мотором») и низкой термокомпресией, при подаче значительной мощности.
Пример Т-С параметров 18” драйвера для работы с рупорной нагрузкой: Fs: 25-32 Гц, BL: 21-27, Qts: 0.25~0.35 (<0.4), Xmax: > 6 мм, Voice coil: 4” или больше, Power handling: >500 Вт RMS
В 1963 г. австралийский инженер Невилл Тейл закончил анализ переменных, определяющиех взаимодействие драйвера с акустическим оформлением и сформулировал методику подбора драйверов исходя из параметров кабинетов. Спустя десять лет в своей докторской диссертации Ричард Смолл обобщил и упростил результаты Тейла, сведя их к десятку электрических/механических параметров и уравнениям. Фирмы, выпускающие драйверы для акустических систем, теперь указывают параметры Тейла-Смолла (T/S) для своей продукции, а пользователи получают возможность рассчитать кабинеты, в частности – рупоры. Существует множество коммерческих условно-бесплатных или свободно распространяемых компьютерных программ, способных на основании параметров Тейла-Смолла выполнить расчеты.
Минимальный набор параметров для расчета HЧ оформления, предложенный Тейлом и Смоллом:
Fs –резонансная частота динамика без оформления
Qts– полная добротность динамика
Vas– эквивалентный объем динамика.
(расширенный список параметров
смотрите на www.sound-talk.ru/?p=228.

Рекомендации по изготовлению

Для получения от акустической системы высококачественного звучания ее необходимо не только правильно рассчитать, но и тщательно изготовить. Не должно быть каких-либо щелей и отверстий, корпус должен быть герметичным. Отверстия или щели приводят к акустическому «короткому замыканию», вследствие чего воспроизведение низких частот резко ухудшается. Головки громкоговорителей, если в их конструкции не предусмотрено посадочное уплотнение, следует устанавливать через уплотняющую прокладку из губчатой резины или резиновой трубки. То же самое относится и к сдвоенным головкам сабвуферов, если вы решите их применить.
Лучшим, хоть и не самым дешевым материалом является влагостойкая березовая фанера. Возможно использование дешевой фанеры, в этом случае приготовьтесь к поломкам при перевозке и эксплуатации. Если фанера не в бюджете – обратите внимание на MDF-плиты, но они значительно тяжелее фанеры. При обработке MDF необходима защита органов дыхания от пыли, многие сорта MDF аллергенны, сабвуферы из этого материала нужно тщательно прокрашивать для защиты от влаги и предотвращения попадания частиц в воздух. Применение минваты и других аллергенных материалов при изготовлении акустических кабинетов не допустимо!
В целом ряде случаев раскрой листов лучше осуществить у специалистов в деревообрабатывающей мастерской, но выкройки переносите самостоятельно или непосредственно проконтролируйте. Возможно, у специалистов есть соответствующие станки и им проще будет соблюсти углы и радиусы. Для усиления стыков используйте дюймовый брусок квадратного сечения. Все бруски крепятся к одной из двух панелей, обычно – боковой. Соединения на влагостойком клею с шурупами и стыки необходимо герметизировать мастикой.

В работе над этим материалом главным экспертом и консультантом выступил Дмитрий Тумасов (tda-audio@mail.ru) из TDA-Audio, известный на форуме www.show-master.ru и просторах рунета специалист и изготовитель, в частности рупорных суббасовых систем. Дмитрий рассказал о схемах сворачивания, авторитетных источниках готовых схем сабов и критериях подбора драйверов для рупорных сабвуферов.

Список литературы и ссылки

J. Dinsdale «Horn loudspeaker design» p.1, 2 и 3 Wireless WorldMartin J. King «Horn Theory» ©2008
A.J. Sanial «Graphs for Exponential Horn Design» RCA Review В.В.Фурдуев «Акустика звукового кинопоказа»
Филип Ньюэлл «Среднечастотные рупоры и прямые излучатели» «Шоу-Мастер» №2 2007, (49)
или
http://www.show-master.ru/art/?id_article=475

http://www.speakerplans.com by Rog Mogale
http://www.quarter-wave.com by Martin J. King
http://www.silcom.com/~aludwig/
http://www.diyaudio.com/forums
http://www.dancetech.com/index.cfm?loading=pa