Интермодуляционные искажения громкоговорителей относятся к самым неприятным артефактам электроакустического тракта, потому что порождают в спектре звучания компоненты, которых не было в исходном сигнале вообще. Гармонические искажения добавляют к тону его кратные частоты, и слух часто прощает это как небольшое изменение тембра. Интермодуляция работает иначе. Когда звуковая катушка одновременно совершает большой медленный ход на басовой частоте и малые быстрые колебания на средних или высоких частотах, нелинейности динамика смешивают эти движения, и в спектре появляются комбинационные продукты вида f1 минус f2, f1 плюс f2, 2f1 минус f2. Дополнительно к электрической и механической нелинейности подмешивается чисто кинематический эффект, движущаяся поверхность диффузора модулирует излучаемые высокие частоты по частоте, как источник, который то приближается к слушателю, то удаляется от него. Результатом становится загрязнение середины, потеря чёткости вокала, смазанность атак и ощущение грязного баса даже при внешне низких гармонических искажениях. Инженер, который понимает механизм интермодуляции, проектирует головку и акустическую систему так, чтобы разделить те движения, которым незачем смешиваться.
Кинематика подвижной системы и постановка задачи
Диффузор громкоговорителя это поршень переменной скорости. На частоте 60 Гц при амплитуде хода плюс минус 5 миллиметров максимальная скорость подвижной системы вычисляется как произведение круговой частоты на амплитуду, то есть 2 пи помножить на 60 и умножить на 0,005, что даёт примерно 1,9 метра в секунду. Это немало. Одновременно тот же диффузор излучает, например, верх пианино на 3 килогерцах с ходом в единицы микрон. С точки зрения слушателя источник высокочастотной волны физически перемещается вперёд и назад вместе с басовым движением шестьдесят раз в секунду. Малое расстояние, большая скорость, заметное следствие.
Это и есть картина, которую важно уяснить в первую очередь. Интермодуляция на громкоговорителе имеет два семейства причин. Первое семейство параметрическое, коэффициент силы, жёсткость подвеса, индуктивность катушки зависят от мгновенного положения в воздушном зазоре, и медленный басовый ход модулирует параметры, под влиянием которых происходит быстрое высокочастотное движение. Второе семейство кинематическое, чистый эффект Доплера на движущейся излучающей поверхности. Оба механизма присутствуют в любом широкополосном динамике, где одна и та же мембрана обязана играть и бас, и верх.
В электроакустических расчётах удобно рассматривать воздушный зазор как узкое окно, в котором актуальны значения трёх функций координаты: коэффициент силы Bl(x), упругость подвеса k(x) и индуктивность Le(x). Пока ход мал, кривые почти плоские, и система ведёт себя линейно. Как только ход достигает значений в миллиметры, плоскость кончается, и сигнал высокой частоты начинает проходить сквозь периодически меняющийся во времени аппарат. Математически это перемножение сигналов, а любое перемножение двух гармоник порождает суммы и разности частот. Именно поэтому интермодуляция изначально свойственна физике движущейся катушки, и задача состоит не в её уничтожении, что невозможно, а в её программированном подавлении конструктивно осознанными решениями.
Эффект Доплера на движущемся диффузоре
Классическая формула Доплера для источника, движущегося со скоростью v относительно неподвижного наблюдателя, дают девиацию принятой частоты дельта f равную f умножить на v и поделить на c, где c это скорость звука, примерно 343 метра в секунду. Подставим числа из типичной ситуации. Бас 60 Гц с ходом плюс минус 5 миллиметров даёт пиковую скорость около 1,9 метра в секунду. Высокая частота 3 килогерца, излучаемая той же поверхностью, сдвигается на дельта f равное 3000 умножить на 1,9 и поделить на 343, то есть примерно на плюс минус 17 герц. В спектре излучения у монохромного тона 3000 Гц появляются боковые линии на 3000 плюс 60 и 3000 минус 60, а при учёте высших моментов также на 3000 плюс 120 и 3000 минус 120. Слух воспринимает эти линии не как бас и не как отдельные тона, а как размытость и жестковатость середины.
Существенно, что допплеровская модуляция это не нелинейность материалов. Даже идеальный линейный двигатель ничего не может поделать с тем фактом, что его поршень физически набегает на волну. Фаза излучаемой высокой частоты дополнительно модулируется запаздыванием пути от глубины диффузора до точки прослушивания. Когда ход достигает 5 миллиметров, оптический, точнее акустический, путь изменяется на одну десятую длины волны трёхкилогерцового тона, эта фазовая качка эквивалентна частотной модуляции с заметными боковыми компонентами. Практические измерения показывают, что вклад Доплера и вклад параметрической интермодуляции у типичного широкополосника сравнимы по величине, и их суммарный уровень порой достигает нескольких процентов на допустимых уровнях громкости.
Важное следствие состоит в том, что допплеровская составляющая не зависит от качества магнитной системы. Дорогой мотор с превосходной симметрией всё равно даст боковые линии, если один и тот же диффузор делает большой басовый ход и одновременно излучает середину. Разделение ходов и разделение полос остаётся единственным подлинным лекарством именно от этого механизма.
Нелинейности мотора и подвеса как источники интермодуляции
Второе семейство причин лежит в зависимостях параметров от хода. Кривая Bl(x) никогда не бывает абсолютно плоской. В классической конструкции с катушкой высотой больше зазора проводники поочерёдно покидают область однородного поля, и коэффициент силы падает к краям хода. В конструкции с короткой катушкой в длинном зазоре Bl(x) практически постоянен внутри рабочего диапазона, но за его пределами падает резче. Если в момент прохождения высокочастотного колебания катушка оказывается смещённой басовым движением к краю зазора, мгновенный коэффициент силы меняется синфазно с басом, и высокочастотный ток преобразуется в силу с переменным коэффициентом. На выходе это те же суммы и разности частот.
Подвес ведёт себя сходным образом. Упругость центрирующей шайбы и верхнего подвеса растёт по мере отклонения, что описывают полиномом с кубическим членом. Жёсткость изменяется дважды за период баса, поэтому параметрическая модуляция по подвесу содержит в основном вторую гармонику басовой частоты и порождает продукты вида 2f1 плюс f2 и 2f1 минус f2 с заметным весом. Асимметрия подвеса добавляет и продукты с первой гармоникой.
Отдельный вклад даёт индуктивность звуковой катушки. Её величина зависит от положения катушки в зазоре и от того, насколько медь перекрывает стальные элементы магнитной системы. Когда диффузор совершает большой низкочастотный ход, индуктивность периодически меняется, а вместе с ней меняется импеданс головки на средних и высоких частотах. Усилитель с конечным выходным сопротивлением выдаёт на такую нагрузку ток, модулированный басовым движением, и в электрическом домене рождаются комбинационные продукты ещё до того, как катушка начала двигаться. Медные колпаки и короткозамкнутые витки в моторе подавляют этот эффект, потому что выравнивают Le(x) и снижают само значение индуктивности.
Комбинационные частоты и методики их измерения
Объективная оценка интермодуляционных искажений строится на подаче двух тонов разной частоты одновременно и анализе спектра излучаемого звука. Низкочастотный тон f1 задаёт крупный ход и моделирует басовое содержание музыки. Высокочастотный тон f2 служит зондом, который проходит сквозь модулируемую систему. Измерительный микрофон регистрирует не только исходные частоты, но и продукты f1 плюс f2, f1 минус f2, 2f1 плюс f2 и 2f1 минус f2. Уровень IMD выражают как отношение суммарной мощности побочных продуктов к мощности зондового тона, обычно в процентах или децибелах.
- Метод SMPTE подаёт тоны 60 Гц и 7000 Гц с амплитудным соотношением четыре к одному и оценивает продукты вблизи высокого тона.
- Метод DIN использует пару 250 Гц и 8000 Гц с тем же соотношением уровней и упором на механическую линейность.
- Метод двух равных тонов, например 2 и 3 килогерца, вскрывает интермодуляцию в полосе и согласуется с моделью нелинейного усилительного элемента.
- Многочастотный тест с набором из десятков тонов аппроксимирует реальный музыкальный сигнал и обнажает кроссмодуляцию всего спектра.
Акустическое измерение требует заглушённой камеры или хотя бы стабильных условий, строгого контроля хода по экскурсионному датчику и раздельного анализа боковых линий. Инженер полезно дополняет его электрическим измерением переменного импеданса при смещении катушки, что позволяет отделить долю моторной интермодуляции от доли Доплера. Совокупность этих данных даёт полную карту происхождения комбинационных продуктов.
Конструктивные меры снижения интермодуляции
Первая и главная стратегия это разделение полос. Если басовый динамик не излучает ничего выше нескольких сотен герц, его крупный ход не модулирует ни средние, ни высокие частоты. Среднечастотник работает с малым ходом, потому что кроссовер срезает ему бас. Твитер вообще движется на микронном уровне. Допплеровская девиация частоты пропорциональна скорости, а скорость пропорциональна ходу, поэтому многополосная архитектура подавляет кинематическую интермодуляцию в самой постановке задачи.
Внутри одной головки инженер располагает рядом несколько рычагов. Конструкция с короткой катушкой в длинном зазоре удерживает Bl(x) плоским в пределах рабочей экскурсии. Противоположное решение, длинная катушка в коротком зазоре, хуже по КПД, но даёт очень плавное спадание коэффициента силы. Симметричный магнитный тракт с выровненным полем выше и ниже зазора убирает смещение равновесия и продукты чётного порядка. Короткозамкнутые кольца на керне стабилизируют индуктивность по ходу и заодно снижают её величину, что облегчает работу усилителя. Лёгкий жёсткий диффузор изглухает собственные изгибные резонансы и не добавляет механической нелинейности к и без того сложной картине. Прогрессивный подвес выбирают по критерию симметрии, с близкими характеристиками растяжения и сжатия.
Многополосная система против одного широкополосника
Сопоставление одного широкополосного динамика и трёхполосной системы показывает выигрыш последней по интермодуляции на порядок и более. В трёхполосной схеме каждый излучатель работает в узкой полосе, ходы невелики, кроссовер электрически запрещает нежелательные компоненты тока, а акустические центры расположены так, чтобы не налагались физически движущиеся поверхности. Широкополосник вынужден на тех же уровнях громкости совмещать ход в несколько миллиметров на басу и микронные колебания наверху, что неизбежно порождает и допплеровскую модуляцию, и моторную интермодуляцию. Именно поэтому объективно измеренные уровни IMD у приличного широкополосника на большой громкости лежат в районе единиц процентов, тогда как у аккуратной трёхполосной системы они опускаются до десятых долей процента.
Цена вопроса известна. Многополосная система требует качественного кроссовера, согласования фаз и грамотного расположения головок, иначе выигрыш по интермодуляции будет перекрыт проблемами суммирования. Широкополосник остаётся привлекательным как точечный излучатель с естественным фазовым единством, и в тихих жанрах при умеренной громкости его интермодуляция действительно мала. Однако при требованиях к большой громкости, глубокому басу и чистой середине одновременно именно разнесение полос по отдельным динамикам остаётся единственным способом кардинально решить проблему. Инженер, который ставит перед собой конкретную цифру по комбинационным продуктам при заданном давлении, выбирает архитектуру именно по этому критерию, и в этом выборе кинематика движущегося диффузора весит не меньше, чем электрические параметры мотора.