Pasīvie filtri. Ievads. #1

Signāla frekvenču sadalījums akustiskajās sistēmās jau daudzus gadus nodarbina speciālistu prātus. Apmēram sešdesmit. Pirmie satraukušies inženieri-akustiķi jau bija pat labu laiku pirms tam. Bet problēma dzīvo un attīstās. Rakstā centīsimies pēc iespējas īsāk, bet ne virspusēji, iepazīstināt lasītāju ar daudzjoslu akustisko sistēmu (AS) izveides teorijas un prakses pamatnostādnēm. Protams, īpašu uzmanību pievēršot auto audiotehnikas īpatnībām.
Retajam laimīgajam ir zināms, ar kādu jauku, mīkstu, mājīgu, dabiksu skaņu bija apveltīti vecie, it sevišķi pirmskara vācu skaļruņi ar viegliem, liela izmēra papīra difuzoriem. Toties tieksme pēc vēl reālāka skanējuma, t.i. sasniegt lielāku AFR vienmērīgumu plašākā frekvenču diapazonā, sasniegt lielākus skaļumus, tai pašā laikā samazinot AS izmērus, noveda pie tā, ka ar vien vairāk tika aiziets no elektroakustikas sudraba laikmetā ieliktajiem principiem un tradīcijām, un lika dzīties pēc objektīvo tehnisko raksturlielumu “zelta teļa”. Kādi tad vienjoslu sistēmu objektīvie trūkumi lika inženieriem meklēt laimi joslu dalījuma druvā? Ja īsumā (kā solīts), tad pamatiemesli ir šādi:
Pirmkārt. Jebkura skaļruņa difuzors spējīgs uz virzuļveida kustībām, t.i. kustēties kā viens vesels tikai noteiktā frekvenču diapazonā. Frekvencei sasniedzot noteiktu vērtību, uz difuzora virsmas parādās elastīgi viļņi, kuri veido interferences ainu. Virzuļveida kustības, uz kurām tiek balstīts visu skaļruņu parametru aprēķins, izbeidzās. Lielākajai daļai zemfrekvenču skaļruņu šī frekvenci ir dažu simtu hercu robežās. Platjoslas un vidējo frekvenču skaļruņi šādas īpašības spēj saglabāt līdz pāris tūkstošiem hercu, daži no tiem, ar kompozītmateriālu vai keramiskiem difuzoriem – no 5 – 8 kHz. Pie augstākām frekvencēm droši strādā tikai kupoltipa skaļruņi. Vidējo frekvenču kupoltipa skaļruņi aptver diapazonu sākot ar simtiem hercu līdz pat 10kHz, tajā visā cenšoties saglabāt virzuļveidīgas kustības. Viegliem auduma, kompozītu vai metāliskajiem augsto frekvenču skaļruņu kupoliem skaņas diapazonā apskatītie trūkumi nepiemīt.
Aprakstītie procesi objektīvi sāk izpausties kā AFR izrobojums sākot ar noteiktu frekvenci, nelineāro kropļojumu pieaugums, intermodulācija, fāzu kropļojumi. Galvenās subjektīvi novērtējamās sekas – instrumentu nenaturāls skanējums, skaņa kļūst asāka, rodas pieskaņas. Jāatzīmē, ka vecie labie pirmskara skaļruņi ar šo kaiti slimoja pilnā mērā – pat vieglie papīra difuzori nespēja tai pretoties. Toties vairāku paaudžu eksperimentatoru darbs, kuri vārīja slepenas papīra masas, nebija veltīgs – veco difuzoru parazītisko svārstību raksturs bija tāds, ka no auss “redzesloka” to radītās sekas bija minimālas.
Otrkārt. Ļoti vienkārša lieta. Induktivitāti neatcēla pat pasaules kara rezultāti. Piemēram, ja zemfrekvenču skaļruņa spoles induktivitāte ir 1mH (pavisam maz), tad jau pie 1kHz rekatīvā pretestība sasniegs 6,28omus, bet pie 10kHz – 62,8omus. Uz šīs pretestības krīt viss signāla spriegums, protams, neradot nepieciešamās difuzora svārstības.
Treškārt. Visi gaida no skaļruņa sfērisku skaņas vilni. Tādā gadījumā radītā skanējuma izstarojuma raksturlīkne būs apļveida, un klausītājs, pārvietojoties telpā, nejutīs diskomfortu. Mašīnā klausītājs nemaina savu pozīciju, bet šeit uz izstarojuma virziena raksturlīknei tiek izvirzītas lielākas prasības, jo skaļruņu izvietojuma iespējas salonā ir manāmi ierobežotas. Sfērisku vilni rada punktveida avots, t.i. difuzora izmēriem jābūt ievērojami mazākiem par viļņa garumu. Kā šis nosacījums neizpildās, skaļruņa izstarojuma raksturlīkne sašaurinās, kas rada daudz sarežģījumus.
Ceturtkārt. Pie zemām frekvencēm, it sevišķi tuvu rezonanses frekvencei, difuzors kustas ar ievērojamu ātrumu, kas ir daži procenti no skaņas ātruma. Rezultātā, pie vienlaicīgas zemo un augsto frekvenču atskaņošanas, būs vērojama augsto frekvenču doplera modulācija ar zemajām frekvencēm, jo vienu brīdi šīs frekvences tiks atskaņotas difuzoram kustoties uz klausītāju, nākamā brīdī prom no klusītāja. Doplera modulācijas izraisītās sekas izpaužas kā dzirdei ļoti nepatīkams toņu dzidruma zudums, klausītājam zūd prieks no klasiskiem fragmentiem, balstītiem uz stingriem muzikālās harmonijas likumiem.
Citiem vārdiem – lai cik arī nebūtu spēcīga nostaļģija pēc vecajiem labajiem papīra difuzoriem, labi var skanēt tikai daudzjoslu akustika. Šī patiesība inženieriem kļuva skaidra jau pusgadsimtu atpakaļ, un kopš tiem laikiem sadalošie filtri sāka ceļu uz tirgu.
Mēs neapskatīsim visus filtra attīstības posmus. Atzīmēsim tikai to, ka tie ir nogājuši sarežģītu ceļu, kā sākumā tie tikai izpildīja enerģētisko un frekvenču sadalījuma funkciju, bet tagad filtri risina veselu jautājumu kopumu – enerģētisko sadalījumu, veido izstarojuma virziena raksturlīkni AS kopumā, kompensē spoles reaktīvo pretestību, ievērojot akustisko noformējumu utml.
Jāsaka, ka inženieri tehnisko uzdevumu ir atrisinājuši: AS veido lielisku AFR pie optimālas fāzu frekvenču raksturlīknes (FFR), izstarojuma virziena raksturlīknes, izmantojot pavisam reālus skaļruņus. Visus matemātiskos sarežģījumus, kas saistīti ar aprēķiniem, ir uzņēmušies datori, internets ir pilns ar dažādām programmām priekš amatieriem. Bet pateikt, ka AS dēļ tā visa būtu sākušas skanēt labāk, kā labi, mēs nevaram. Problēma ir veca kā pasaule: nevajag tiekties uz ideālu AFR un FFR, bet uz labu skaņu, un šajā ceļā rodas daudz nopietnāki sarežģījumi, kā grūtais aprēķins.
Tai pat laikā, nebūtu pareizi nepadalīties ar sadalošo filtru izveides elementārākajiem pamatiem ar lasītājiem. Katram centienam sasniegt kvalitatīvāku skaņu, jābūt atbalsta punktam. Mūsu punkts atrodas tur, kur tiek sasniegti pieņemami, objektīvi novērtējami AS parametri, bet tos galvenokārt veido sadalošie filtri.