Как мы делали домашний Hi-Fi

3. Бозон Хигса

В процессе разработки нами было отслушано если не всё, что есть на рынке, то очень многое. Пришло понимание, что формулы идеального звука не существует. Имеется в виду в таких понятных терминах как какая-то описанная сущность, имеющая цифру или значение. Как учёные-теоретики предсказали наличие Бозона Хигса задолго до его обнаружения, так и в звуке, возможно, есть что-то неизученное.

Для акустики такими показателями качества являются, например, способность воспроизводить бас хотя бы от 50 Гц, иметь ровную АЧХ (амплитудно-частотную характеристику), искажения в определённых пределах, широкий динамический диапазон и т. д. Это некие фундаментальные показатели, которые должны быть соблюдены обязательно, если мы говорим об акустике хорошего класса. Но всё же и идеального звука не существует. Существует качественный высококлассный звук. Существует великолепный звук, потрясающий. Но каждый производитель так или иначе вносит в него свои нюансы, которые могут кому-то нравиться больше или меньше. Точно также как знаменитый «ламповый» звук очень ценится многими, но на самом деле это некая разновидность искажений, которая приятна человеку, и он воспринимается как тёплый и красивый. Таким образом, в звуке «рука мастера» имеет зачастую решающее значение. Некие секреты и технологии, которые накапливаются годами и позволяют создать уникальный звук.

В строгом понимании нет такого современного ГОСТа, ни отечественного, ни международного, который бы чётко говорил, как в ГОСТе на колбасу «Докторскую»: должно быть столько-то мяса, столько-то жира, соли и перца, варить 3 часа и у вас получится на выходе классная акустика. Как и нет таких абсолютных показателей, сравнивая которые можно было бы ранжировать акустику из одного класса. Цена также не является истиной в последней инстанции и зависит от очень многих факторов. Нет, какие-то каноны и рамки, конечно же, существуют. Как, например, дом, построенный по правилам на хорошем фундаменте, из добротного кирпича, с правильно обустроенной крышей, коммуникациями и окнами — это добротный дом и он явно отличим от шалаша или землянки. Но вот удобно ли в нём жить, вызывает ли он эстетическое удовлетворение, в красивом ли месте расположен — это уже субъективные вещи, которые никакими ГОСТами не пропишешь

И самое главное — это как к звучанию относится человек, резонирует ли он с психикой, вызывает ли отклик.

5. Начало разработки. Подбор динамиков

В ходе создания колонок, многие наши знакомые и близкие периодически интересовались процессом и, как оказалось, подавляющее большинство людей не особо владеют даже азами в этой сфере, что в общем-то абсолютно объяснимо и нормально. Специально для этого случая ниже по тексту будут отдельные перебивки красным цветом и будет дисклеймер «ЗАПИСКИ ОТ ШАРИКА» под которым будет текст «для чайников». От чайников. Без открытия ворот ада и высшей алхимии, тут будет немного сильно упрощённой теории про звук, про акустико-строение, которое может быть интересно тем, кто об этом никогда не задумывался или не обладает необходимыми знаниями.

Итак, любое колонко-строение начинается, что называется «от уха», то есть от подбора динамиков, от подбора объёмов и исполнения корпуса, подбора исполнения акустического оформления. Вообще надо сказать, что качество звука на 80% (наша оценка) зависит от акустики, а если быть ещё более точным, то изначально от динамика. Динамик — это алмаз, который можно огранить в бриллиант. Первичное сырьё для звука.

Разработка и производство динамиков — это отдельный самостоятельный тех. процесс. В мире существует определённое количество фабрик, производящих динамики. Динамики, используемые мировыми лидерами звука, невозможно найти в свободной продаже. Это квинтессенция их опыта, их чертежи и специфиакции, которые производятся in-house или передаются на фабрику, производящую динамики, для контрактного производства «под себя». В обозначенной ценовой категории отсутствуют (ну либо мы не смогли найти) стоковые модели динамиков, удовлетворяющих высоким звуковым требованиям. Что делать? Практическим решением для нас оказалось взять уже готовое производство динамиков, выбрать потенциально годные модели и кастомизировать их под наши требования.

И мы начали этот процесс: закупили более 100 разных динамиков разных производителей. Российские, американские, европейские, китайские динамики в подходящей ценовой категории. Закупили и начали их тестировать.

Каждый производитель предоставляет на свои динамики некую документацию, но, как показывает практика, этому не всегда можно верить. Поэтому пришлось всё перемерить и по итогу выбрать действительно неплохие динамики, которые с учётом дальнейшей доработки на заводе-изготовителе соответствовали бы нашим замыслам.

Итак, по окончании предварительного кастинга динамиков, у нас осталось некоторое количество экземпляров, которые были каждый по-своему хороши и при определённом стечении обстоятельств могли быть применены в будущей системе. Они требовали некоторых доработок со стороны завода-изготовителя под наши требования (например, где-то надо было увеличить массу диффузора, изменить жёсткость или ход подвеса или добавить витков на магнитную катушку). Разработка или доработка динамика — это довольно итеративный процесс. Несмотря на то, что в основе лежит научный подход и вносимые изменения «не от фонаря», а логически объяснимы, но раз за разом необходимо осуществлять какие-то изменения в конструкции, наблюдать и фиксировать некую закономерность влияния на результат. Метод последовательных приближений. Метод проб и ошибок. После многих итераций удалось добиться нужных результатов. Далее необходимо было договориться с фабриками, которые производят те или иные динамики о том, чтобы они внесли в конструкцию требуемые нам коррективы и в дальнейшем производили наши кастомные динамики.

6. Акустическое оформление

Следующим этапом в построении акустической системы является то, что каждый из этих разрозненных динамиков необходимо усадить в каком-то своём «офисе» (корпусе, это называется акустическое оформление), а затем эти разрозненные динамики «в офисах» собрать в ансамбль.
Проектирование акустической компоненты будущей системы мы начали с басовой составляющей, так как именно она является наиболее сложной в реализации. Получить правильный, глубокий, насыщенный бас в компактных размерах — задача не тривиальная.

Для конструирования сабвуферов для наших моделей Satisfaction и Satisfaction Mini мы выбрали 5,5 и 4-х дюймовые мидвуферы соответственно, с максимально низким значением резонансной частоты для таких размеров. Выбранное акустическое оформление обоих сабвуферов — закрытый ящик с пассивными излучателями. Опираясь на характеристики Тиля-Смола (это довольно сложные понятия и объяснить их языком Шарика было бы непросто и долго, но в интернете есть много информации для ознакомления, что это за характеристики и зачем они), были рассчитаны теоретические параметры объёмов ящиков, размеры пассивных излучателей, их жёсткости, веса диффузора. Воплотив это всё в материале, проведя измерения и корректировки, мы убедились в правильности выбранного пути: басовая и мидбасовая компонента в обеих моделях получалась насыщенная и глубокая.

Одной из особенностей акустического оформления сабвуфера типа «закрытый ящик» является очень собранный, плотный, быстрый бас и отсутствие групповых задержек. Применение этого акустического оформления также позволило существенно сократить объёмы ящиков, по сравнению с фазоинверторным типом, и уместить всю мощь вуферов в достаточно компактный объём. 5,5 дюймовый вуфер модели Satisfaction в итоге уместился в объём 6,5 литров, а 4-х дюймовый Satisfaction Mini в скромные 3,2 литра, что вылилось в честные нижние границы 40 Гц для первой модели и 50 Гц для модели поменьше, что является одним из показателей качественности стереосистемы. На обоих ящиках наблюдалась ровная АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) вплоть до 500 Гц. Т. е. этот симбиоз правильных вуферов, закрытых ящиков и пассивных излучателей позволил полностью перекрыть диапазон басов, мидбаса и даже забраться в низ средних частот.

Справившись с задачей построения басового звена будущей акустической системы, пришло время приступить к проигрыванию оставшихся частот слышимого спектра музыки. Из имеющихся средне- и высокочастотных динамиков, прошедших предварительный кастинг и доработку, было смоделировано и оттестировано несколько различных вариантов и сочетаний динамиков. В итоге выбор пал на высокопроизводительные динамики с неодимовым магнитом. Использование неодимового магнита в драйвере динамика (в противовес обычному ферритовому) даёт ощутимый баф к скорости и точности. Обстоятельство того, что нам от них уже не требуется играть басы и мидбасы, позволило максимально сконцентрировать их усилия на средне-высокочастотном диапазоне, которые отыгрываются ими великолепно. Звуковая картина получилась полная, лёгкая, очень детализированная.

7. Сведение

Следующей задачей было «поженить» басовую компоненту с остальной частью. Вообще, сведение динамиков в системе — это важнейший процесс. Кто-то как-то сказал, что это вообще главный процесс в проектировании любой акустической системы — сделать так, чтобы весь вот этот ансамбль динамиков работал сообща.

Здесь работает тот же принцип, что и в АЧХ динамика — АЧХ всей системы должна быть ровной. Ни один динамик не должен перекрикивать или затенять другие. Это, во-первых. А во-вторых, есть задача стыковки диапазонов динамиков. Эта проблема (стыковки) возникает потому, что любой динамик в принципе так или иначе воспроизводит почти все частоты. Когда мы говорим, что у нас басовая компонента играет хорошо от 50 до 500 Гц, мы подразумеваем, что она в этом диапазоне играет ровно с определённым звуковым давлением, но это не означает, что, она не играет, например, 700 или 1000 Герц. Ещё как играет, но просто уже плохо, неровно и слабо. Точно так же и среднечастотник играет какие-то басы, но плохо.

И вот если включить одновременно эти две компоненты, то эти «хвосты», которыми они пересекаются, начнут друг на друга очень сильно влиять. Часть частот начнёт складываться, впадать в резонанс и нежелательно взимоусиливаться, а часть, наоборот, взаимоуничтожаться. И почти всегда соединив два отличных динамика в одной системе, на выходе получим вакханалию. Это как взять два прекрасных продукта по отдельности, например, вкусное сгущённое молоко, и не менее вкусную селёдку и объединить их на тарелке в одно блюдо — приятного мало.

Т.е. надо каким-то образом заставить каждый динамик играть только в том диапазоне частот, который он умеет играть хорошо и не лезть «на чужую поляну», не привносить туда свои гармоники. Для этого в акустике применяют систему фильтров (иначе, кроссоверов): они физически не дают динамику играть те частоты, которые он играть по замыслу не должен. В пассивных колонках применяют пассивные же кроссоверы (набор конденсаторов, индуктивностей и резисторов, которые ставятся перед динамиком), таким образом на физическом «железном» уровне ограничивая частоту их работы. Запомним этот момент — кроссоверы. Вернёмся к нему чуть позже.

Ещё необходимо было определиться как настраивать звучание колонки в той или иной конкретной комнате в силу того, что колонка является довольно мощной, играет качественно и громко, и может стоять в разных помещениях или частях помещения. Вообще помещение для акустики — важнейшая составляющая, которая способна убить практически все усилия по созданию звука. Проектированию концертных залов уделяется колоссальное внимание. В некоторых концертных залах один и тот же оркестр или оперный певец будет звучать великолепно, а в других нет. В квартирах основной бич хорошей акустики — переотражения звука от стен, пола, потолка и других плоских поверхностей. Общие несколько советов гласят — нужно максимально «зашумить» помещение, постараться по- максимуму убрать переотражения.

В пустой бетонной коробке даже самая хорошая акустика будет звучать посредственно и превращать звук в месиво (многократные переотражения звука сложатся в ухе слушателя и создадут эту кашу самым неприятным образом). Поэтому хорошим решением будут шторы на окнах, мягкая мебель, ковры. Даже домашние животные (например, пёс-барбос) способны в какой-то мере поглощать переотражения звука :))). Это, конечно, шутка, но если собака большая, то вполне себе по эффекту может быть сравнима, например, с креслом.

Итак, в силу того, что колонка будет располагаться у разных пользователей в разных акустических условиях, необходимо каким-то образом предусмотреть возможность настройки АЧХ, чтобы иметь возможность, например, убавить басы, если именно в вашем помещении и именно в этом углу сложился резонанс из переотражающихся волн в нижнем диапазоне (это может вызвать нежелательное гудение или оглушение), чтобы нивелировать эту проблему и вернуть звуку задуманную красоту. Также немаловажным является возможность эквализации звука.

Многие производители для решения этой задачи применяют такой подход: портируют в колонку микрофоны, которые слушают то, что играет колонка и что отражается от стен помещения и всё время сверяют это с каким-то неким внутренним эталоном и, в зависимости от того, что они слышат, корректируют звук. У этого метода есть как свои плюсы, так и минусы. Плюсы очевидны — не надо делать лишние телодвижения и если колонка портативная и предполагается постоянное её перемещение по комнате, то такая автоматическая подстройка выглядит как минимум разумной. Из минусов — кто определяет эталон звука? Кому-то нравятся блондинки, кому-то брюнетки. Звуковые предпочтения также разные. Кому-то надо побольше жирного баса, а кому-то наоборот. Есть жанровые предпочтения музыки. И даже от настроения и времени суток звуковые предпочтения очень сильно меняются, не говоря о том, что пришли гости и захотелось потанцевать и надо «навалить» басов побольше (что в целом может не соответствовать канону) или устроить «романтик» и включить негромкий текучий трек.

Принимая во внимание всё это, а также тот факт, что наши колонки довольно большие и тяжёлые и не предполагается постоянного перемещения их по комнате, было решено не усложнять и не удорожать систему дополнительными микрофонами и автоматической подстройкой тонального баланса, а дать максимум возможности пользователю самому настроить музыку под своё помещение, темперамент, настроение или жанр музыки старым проверенным надёжным способом — с помощью встроенного эквалайзера. Эквалайзер вынесли на верхнюю панель, чтобы он всегда был на виду и в доступе, в противовес системам, где эквалайзер реализован в приложении, то есть спрятан от глаз пользователя и потому редко когда используется.

Итак, для решения двух этих задач — кроссовер (разделение динамиков по частотам и сведение их по звуковому давлению) и эквализации звука (подстройка АЧХ под требования) — была применена технология DSP (Digital signal processor). Нами был выбран чип от компании Analog Devices, программируя который, мы и реализовали функцию кроссовера и функцию эквализации звука. Также, с помощью процессора удалось исправить некоторые огрехи динамиков, которые никак по-другому не решались, и добиться ровной АЧХ на всём спектре человеческого слуха в линейном режиме (когда крутилки эквалайзера по умолчанию смотрят ровно вверх, т. е. находятся как бы в нейтральном положении). В финальном варианте порог кроссовера был установлен на уровне 400 Гц.

К тому же с помощью этого же процессора была реализована функция нелинейной тонкомпенсации, которая немного добавляет басовых и высоких частот при низкой громкости музыки.

8. Усиление

Следующим этапом после создания акустической компоненты нашей стереосистемы был усилительный тракт. Были протестированы несколько цифровых чипов-усилителей разного класса (А, АВ, D — не заморачивайтесь, на самом деле это не так важно какой тип «цифры» используется (разницы вы не услышите в диапазоне стоимости подключаемой акустики до 1−1,5 млн рублей), гораздо более важно насколько качественно реализован тот или иной алгоритм.

По итогу многочисленных тестов мы остановились на усилителях D-класса двух производителей: STI и SSM, каждый из которых выдает по 100 Вт (50 Вт на канал), если использовать напряжение 15 Вольт. Тесты показали, что для наших систем нагружать усилители 24 Вольтами — избыточно, просто вся энергия уходит в тепло, а 12 Вольт — маловато, не хватало мощности на больших громкостях, поэтому 15 В оказалось оптимальным напряжением. Для усилительного тракта было применено 2 усилителя. Один усилитель отрабатывает левый и правый канал средне-высокого диапазона, а один только для басовика, чтобы ему «хватало». Для того, чтобы звук у нас попадал в максимально первозданном виде на динамики, были сделаны правильные «обвесы» выходного тракта (индуктивности, конденсаторы и т. д.)

9. Источник звука

В качестве беспроводного источника звука был выбран чип Qualcomm, на котором реализован Bluetooth 5.1 с поддержкой кодеков AptX HD. Этот кодек позволяет играть музыку с битрейтом до 512 kbps 24 bit/48kHz. То есть это очень высокий показатель для беспроводного соединения. Для того, чтобы беспроводное соединение было максимально устойчивым, была реализована высокочастотная выносная антенна, которая крепится внутри корпуса. Колонки надёжно ловят сигнал в любом помещении, будь то монолитное или панельное домостроение, а в загородном доме связь не теряется даже если уйти с телефоном на другой конец участка.

Для возможностей проводного соединения добавили на борт аналоговый вход (AUX) с разъемом Jack 3,5 мм и цифровой вход — оптический SPDIF.

Сервисные звуки (звук включения/выключения, режим спаривания и т. д.) были реализованы молодым битмейкером Никитой Авдошиным. Часть сервисных звуков, для большей понятности, были реализованы целыми фразами на русском языке. Например, при успешном спаривании с телефоном, колонка мужским голосом сообщит «Соединение блютуз установлено».

10. Корпус

Пару слов надо сказать и о материале корпуса. Сам по себе корпус является точно такой же составной частью акустической системы как и динамики. Корпус точно также может вибрировать и издавать какие-то звуки. Поэтому к корпусам предъявляется повышенные требования жёсткости и если колонка довольно мощная и большая, то она не может быть пластиковой (может, конечно, но крайне нежелательно). То есть если вы видите большую пластиковую колонку, это, в подавляющем большинстве случаев, означает, что она не в состоянии хорошо играть басовую компоненту, потому что бас больше всего сотрясает внутренне пространство колонки и заставляет вибрировать корпус и вы будете слушать большое количество каких угодно звуков, но только не качественный бас. Это, примерно, как громко кричать в ведро — гула будет много, но назвать это басом нельзя.

11. Доработки и предсерийное тестирование

группа «Серьга», «Гадкий утёнок»

И вот в процессе, когда уже все основные узлы и элементы были готовы, колонки были готовы, хоть завтра начинай выпускать, начали всплывать разного рода неточности и ошибки. Нюансы при сборке, нюансы при работе и эксплуатации. В итоге наш чек-лист, по которому мы дорабатывали систему насчитывает 161 строчку.

Иногда выплывали совершенно неожиданные, неочевидные и потому досадные моменты, которые могли месяцами себя никак не проявлять. Например, на плате управления эквалайзером расположен стабилизатор напряжения. У него четыре ноги. По даташиту задействовать можно три, а четвёртая нам для наших функций была не нужна. Соответственно её не задействовали, когда делали разводку платы. Всё месяцами работало прекрасно на всех тестах и при всех испытаниях до одного прекрасного дня — лампочки на плате управления на одной колонке при работе начали хаотично перемигиваться. Два дня ушло на поиск проблемы. Сначала заметили, что если эту колонку перенести в другое место, то всё приходило в норму и эта проблема проявлялась только в определённом месте в цехе. Оказывается, проблема была в том, что колонку ставили на производстве на большой металлический верстак, рядом с которым располагались ещё 3 таких же больших металлических верстака. Эта груда металла создаёт какое-то не нулевое статическое напряжение, которое воздействовало таким образом на эту «висящую» ногу, что микросхема воспринимала это как вполне себе актуальный сигнал и начинала что-то там выполнять, что проявлялось в перемигивании лампочек. Пришлось заново переразводить плату управления и «приземлять» эту «висящую ногу, чтобы она не была такой чувствительной.

В такие моменты нам всё время вспоминалась наша отечественная Лунная программа, и тот недавний аппарат, который почему-то до Луны не долетел и упал на неё. «Ёлки-метёлки, мы тут на земле делаем музыкальную колонку, довольно простое устройство в котором мы всё вроде бы предусмотрели и оно продолжает работать не всегда корректно. А там в космосе суперсложный агрегат и какие-то там в тот момент прилетели лучи от солнца или пролетели марсиане и оставили свой инверсивный след так, что из-за этого сбойнула какая-то программулина, чип или механизм и вся многолетняя работа инженеров отправилась на лунную свалку. Вот это капец как сложно, а наши задачи — это и не задачи вовсе.» В такие моменты хочется поддержать космических инженеров в их непростом выдающемся интеллектуальном труде и пожелать удачи и штатных прилунений.

Таким образом на устранение всех багов, тестирование в различных квартирах разными людьми и организацию производственных участков ушло ещё 8 месяцев.

12. Финал и независимая оценка

И вот мы готовы представить вашему вниманию домашние Hi-Fi стереосистемы RAINBO Satisfaction и Satisfaction Mini. Обе модели представлены в 3-х цветовых решениях под разные интерьеры.

Что получилось в итоге? Можем сказать, что нам не стыдно и мы гордимся проделанной работой и полученным результатом!