Об одном забытом изобретении

ДРУГОЙ КАРЛСОН

Оптимизация условий работы громкоговорителя

Статьи про этого человека в Википедии нет. Отрывочны и другие публикации, посвящённые именно личности Джона Карлсона.

Составило труд найти даже приличную фотографию, помещённая здесь — лучшая, что отыскалась, притом что заимствована она из какого-то солидного американского делового еженедельника. А ведь время, хоть и прошедшее, вовсе не такое давнее. Впрочем, дело идёт веселее, когда целью поиска становится не автор изобретения, а его предмет, о котором упоминают либо как о K-coupler, либо просто по фамилии изобретателя, надо только помнить, что пишется она Karlson, как будто шведская.

Изучая историю электроакустики, нетрудно заметить, что подавляющее большинство предлагаемых новаций направлено на достижение двух целей: улучшение воспроизведения на низких частотах и управление направленностью — на всех остальных частотах, главным образом на верхних, где феномен направленности наиболее очевиден.

Джон Карлсон, несмотря на немалое число патентов, выданных на его имя, изобретение сделал одно и в разных формах направил его на достижение обеих уже упомянутых целей. Надежду на практическую пользу в нашей отрасли даёт один из вариантов воплощения, но ради полноты картины не умолчу и о втором.

Любопытно, что область, в которой Джон Карлсон мечтал осчастливить человечество плодами своего интеллектуального труда, оказалась не одна, и разместились они во времени своеобразно. Первое, над чем Карлсон начал работать в начале 50-х годов, была проблема снижения шума реактивных двигателей. Это сейчас, применительно к гражданской авиации, проблема решена, можно сказать, окончательно, в этом со мной не согласятся лишь те (пусть их и большинство), кто ни разу не наблюдал за взлётом банального Ту-104. Сейчас с таким звуком взлетают только бомбардировщики, потому что война — дело некомфортное…

То, что пришло тогда в голову Карлсону, он немедленно решил вернуть на землю, видимо, небо его звало не так сильно, как более знаменитого однофамильца. Карлсон озадачился оптимизацией условий работы громкоговорителя, для чего в то время, когда он озадачился, было два решения. Первое — никакого, то есть громкоговоритель прямого излучения (как все, что мы используем сегодня). Второе — рупор, позиции которого были тогда очень сильны. Герой предыдущей публикации этой серии, Эдгар Вильчур, сконцентрировался на оптимизации свойств собственно головки громкоговорителя, причём опять — для решения двух уже упомянутых вечных задач электроакустики. Карлсон обратил взор на периферию процесса.

В одной из своих статей, разъясняющих суть дела, он идёт к тому, что в итоге предлагает, последовательно. Вот динамик как он есть, прямого излучения. Акустическое сопротивление среды излучения для него очень низкое, диффузор работает как бы вхолостую, почти не встречая противодействия, отсюда и низкий КПД. Это — на любых частотах, а на высоких, помимо этого, начинаются проблемы с направленностью.

Попытаемся (говорит читателю Карлсон) увеличить сопротивление, на которое работает диффузор. Например, пристроим к нему трубу, содержащую определённую массу воздуха. Да, работая на такую нагрузку, динамик будет передавать энергию воздуху успешнее, но, как вы и без Карлсона понимаете, очень хорошо на одних частотах и никак — на других, в силу резонанса воздушного столба. Трубу можно переделать в резонатор Гельмгольца (труба плюс объём), тогда получится эффективный, но узкополосный излучатель, то, что мы сегодня называем бандпассом. Можно трубу преобразовать в рупор, эффективность возрастёт, но опять неравномерно по частоте, из-за влияния внезапно появляющегося на пути звуковой волны выходного отверстия рупора с его конечными размерами. А вынужденно небольшие размеры входного отверстия накладывают ограничения на мощность, которую можно подвести к драйверу.

Тут-то Карлсон и говорит: а давайте на трубе, установленной на динамик, сделаем прорезь, постепенно расширяющуюся к открытому концу. Тогда один крупный резонанс будет размазан на множество мелких, а энергия звуковых волн станет покидать трубу постепенно, где ей, в соответствии с частотой, это наиболее удобно. Так, собственно, и оказался устроен K-coupler, в таком виде он появился и на стандартных бланках патентного ведомства США.

Самый первый патент Карлсона, включавший и предложение по усовершенствованию струнных инструментов, привёл к возникновению одноимённой с изобретателем компании.

Впрочем, к этому времени Карлсон обнаружил другое свойство своего прибора. Оказалось, что, если поставить такой излучатель вертикально, повернув щелью к себе, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости окажется широкой практически на всех частотах, а в вертикальной — узкой, с максимумом под некоторым углом к оси трубки. При работе такого излучателя (правильно расположенного, разумеется) в комнате в горизонтальной плоскости можно получить всенаправленное излучение, интенсивность которого не зависит от частоты, одновременно сведя к минимуму отражения от пола и потолка, для прослушивания всегда вредные.

Происходило это в эпоху широкополосных громкоговорителей, и хотя были (и даже есть) попытки применить к ним K-coupler, реализованный как в первом патенте, в виде трубы с прорезью, это не привилось, уж очень громоздкое получалось устройство.

Тогда Карлсон разработал несколько иную материализацию своего изобретения. Здесь это стала не труба, а клиновидный объём перед диффузором, открывающийся вовне такой же криволинейной щелью. На низких частотах K-coupler нагружал диффузор в относительно широкой полосе частот, повышая эффективность излучения (вечная цель №1), на более высоких — расширяя направленность излучения (вечная цель №2).

Что любопытно: идею со струнными тоже опробовали.

Под это дело была основана компания имени изобретателя и начаты продажи акустики, без ложной скромности названной Ultra Fidelity. В разных формах корпуса такого типа предлагались как готовая акустика, так и «киты» для сборки своей, в какой-то момент дело дошло почти до курьёза — приставной корпус с геометрией K-coupler для карманного транзисторного приёмника.

«Ракета Карлсона» — корпус для маленького динамика, теперь это было бы компьютерными колонками.

Описанное выше происходило в начале и середине 50-х годов прошлого века, то есть — до того момента, когда появился эффективно работающий ВЧ-излучатель без рупора. Когда и как он появился, было рассказано здесь же ровно месяц назад. Купольная пищалка, родившись полвека назад, была и остаётся наиболее эффективным из известных средств воспроизведения верхних частот, но, как и всё остальное в этом мире, может быть подвергнута улучшению (или попытке такового). Возникновение отдельного (уже не широкополосного) ВЧ-излучателя дало возможность Карлсону опробовать на нём своё изобретение в исходном, «трубчатом» виде. Попытка состоялась и оказалась даже более удачной, чем первая, «ящичная».

Помимо бесчисленных любительских и единичных промышленных моделей пищалок «с трубой Карлсона», появилась даже продукция солидной компании Transilvania Power (судя по технологии, с мощным литейным производством), названная лаконично: The Tube. Это был, по существу, адаптер, привинчиваемый к стандартной домашней купольной пищалке. Стандарт к этому времени успел сложиться, потому что The Tube появилась намного позже Ultra Fidelity, как оказалось, между двумя этими событиями Карлсон успел сходить со своим изобретением в совсем не акустическую область. Поданная в 1968 году очередная патентная заявка предлагала устройство широкополосной СВЧ-антенны. Ровно то же самое, но вместо пищалки — подводящий фидер, а излучаются не звуковые волны, а радио. Впрочем, если подумать, никакого парадокса здесь нет, более того, не только форма, но и размеры устройства оказываются близкими: длина звуковой волны при частоте 10 кГц и радиоволны на классической радиолокационной частоте 1 ГГц — одно и то же.

Вновь к идее трубки Карлсон вернулся уже для диапазона радиоволн…

…а Transilvania Power отлила идею в металле

Совсем скоро две формы устройства Карлсона соединились в одной акустике, которая к тому времени повсеместно стала двухполосной. НЧ-блок по схеме Ultra Fidelity, на нём — пищалка с «Трубой», наклонённой под углом около 30 градусов в вертикальной плоскости, именно в таком положении она, по всем выкладкам Карлсона, излучает порученные ей частоты в телесный угол в форме горизонтально расположенного плоского и широкого лепестка.

Когда акустика стала двухполосной, оказалось, что два K-coupler могут работать совместно, каждый — в своей полосе частот.

Вот уже сорок лет не успокаиваются энтузиасты: вот две из сотен самоделок.

Известны многочисленные практические реализации The Tube, и для пищалок, и в составе коаксиальных излучателей.

Такова история. Закончилась ли она? Если судить по полкам современных магазинов — да, закончилась, не оставив следа. Если копнуть глубже, мы увидим: у этого типа акустического оформления есть приверженцы. Что, впрочем, характерно для многих технологий. Есть патриоты рупоров, трансмиссонных линий и прочего, чем полки аудиосалонов тоже как-то не заставлены. Патриоты K-coupler тоже есть, находятся в Сети без труда и демонстрируют немалую активность, будучи уже вооружёнными современными средствами измерений. Так, например, мне удалось найти готовую выкройку, по которой можно сделать K-coupler для дюймовой пищалки из дюймовой же пластиковой трубы. Там размеры в дюймах, но это вряд ли станет проблемой для любого счастливого обладателя школьного калькулятора.

Опробованная геометрия «Трубы». Тут всё в дюймах, но всё равно понятно.

Почему я предполагаю, что кто-то может попытаться поэкспериментировать с K-coupler? Ну, элементарное любопытство: во-первых, я не склонен его недооценивать. Во-вторых, в наших (автомобильных, если кто забыл) условиях вечную цель электроакустики №1, насчёт басов, можно считать достигнутой (в отличие от дома). Вечная цель №2, напротив, остаётся недостигнутой и даже более трудной, по той же причине, которая облегчила достижение первой. Тесное помещение помогает на басах, но очень мешает на средних и верхних отражениями от своих стенок. В горизонтальной плоскости отражения даже необходимы, а вот излучение в сторону потолка и пола машины желательно было бы ограничить. Так работает, например, не раз описанная у нас (и реализованная Bang & Olufsen в своей премиальной автомобильной системе для Audi и др.) технология ALT. Парадоксально, что название технологии (Acoustic Lens) совершенно не соответствует действительности, поскольку там всё основано на отражении. А K-coupler в этом смысле — как раз ближе к акустической линзе, происходящее внутри трубы с прорезью при некоторой фантазии можно сравнить с преломлением излучения.

В любом случае автору этих строк видятся как минимум два варианта полезного применения «Карлсона» в автомобиле. Первый — использование этого устройства в форме классической «Трубы» на ВЧ-излучателях с тем, чтобы сосредоточить излучение в горизонтальной плоскости с широкой и частотно-независимой диаграммой направленности, не пустив его ни на лобовое стекло («Труба» назад практически не излучает), ни на потолок.

Второе применение видится на средних частотах, примерно с той же целью, но в отчасти другом виде. Карлсон и его последователи предложили несколько конструктивных решений, связанных с озвучиванием помещений на основе K-coupler, некоторые приведены в качестве иллюстраций.

Исходная (Карлсона) и намного более поздняя версия потолочного излучателя оптимальной направленности.

Вот как-то так… Только в наших условиях надо перевернуть вверх ногами.

Всюду принцип один: пустить звук широко по горизонтали и узко — по вертикали, в случае потолочного расположения акустики это означает: чтобы до людей доставало повсюду, а до пола — нигде. В идеале, я имею в виду. В автомобильной системе, скажем трёхполосной, подобное устройство может быть использовано для среднечастотника в торпедо, как бы вверх ногами. Но с той же целью. Найдутся желающие поэкспериментировать — мы в меру сил и оснащения поспособствуем, глядишь — пригодится другой Карлсон…

Read More