Средства звукового эгоизма

УШНАЯ РАКОВИНА – только верхушка акустического «айсберга»! Звук, проходя по слуховому каналу, попадает на барабанную перепонку и заставляет ее колебаться. С перепонкой связана внутриушная улитка, насыщенная нервными окончаниями (т. н. орган Корти) и преобразующая эти самые колебания в электрохимические импульсы.

Эффективность преобразователя фантастическая, как в части чувствительности, так и по широте воспринимаемого диапазона! Дело не только в широте, но и в массе нюансов. Разве вас не удивляла способность мгновенно узнавать голоса знакомых людей? Из десятков очень похожих, но все-таки чужих, услышать тот самый единственный! На скучном языке физики характеристики слухового аппарата описываются так: диапазон амплитуд воспринимаемых звуковых волн – от 3 до 11 мм, а частот – от 16 до 25–30 тысяч герц. Субъективно большая амплитуда звуковых волн воспринимается как большая громкость; чем выше частота, тем более высоким слышится звук, а форма колебаний влияет на тембр, то есть окраску звука.

НАШ СЛУХ ИНЕРЦИОНЕН (это свойство используется в способах кодирования и сжатия звука, например, mp3 и wma). Средняя задержка между фактическим приходом звуковой волны и «включением» звука в мозге достигает 170–175 миллисекунд, а максимальная чувствительность к данному звуку возникает еще через 200–500 мс.

Звуковые волны вообще медлительны. Приход звука с разных направлений сопровождается задержками, которые наш слух легко «просчитывает» благодаря своей бинауральной природе. С расстоянием несколько хуже: различить источники, находящиеся на одной линии, но на разном расстоянии, мы почти не способны. Поэтому и крутим головой, прислушиваясь к слабым шорохам, стараясь заменить анализ дальности на определение направления. 

Все это известно давным-давно благодаря трудам почтенного немецкого физиолога Германа Гельмгольца. Любопытно, что Александр Белл, владея немецким языком, что называется, со словарем, вычитал в его книге о сугубо электромеханической природе слуха. Неточность перевода привела Белла к изобретению… телефона!

СТОИТ ПОДРОБНЕЕ остановиться на силе слуховых ощущений, называемой громкостью. Измеряется она в децибелах (дБ); одному децибелу соответствует громкость звука тикающих часов на расстоянии 0,5 м. Отметим, что шкала громкости не линейная, а логарифмическая (повышение громкости на 10 децибел означает двукратное увеличение силы слуховых ощущений). Уровень нормального восприятия речи в среднем возрасте – 40–50 дБ (это оптимальная величина), но с возрастом чувствительность слуха падает, и 70-летний пенсионер нуждается в разговоре буквально на повышенных тонах (65 дБ). Все звуки сильнее 90 дБ при долговременном воздействии пагубно отражаются на наших ушах. Стоит ли удивляться, что одной из причин прекращения концертной деятельности такого заслуженного рокера, как Фил Коллинз, стала прогрессирующая потеря слуха?

Со слишком громким и продолжительным звуком природный механизм защиты не справляется. В нем роль клапанов, перекрывающих доступ опасному звуку во внутреннее ухо, играют слуховые косточки, приводимые в движение стременной и барабанной мышцами. Если уровень звука продолжительно экстремален, то внутриушной клапанный барьер перестает работать из-за утомления мышц, и нервные волосковые клетки Корти-улитки просто «выгорают».

Современные наушники легко перекрывают предельно допустимые значения звукового давления. Особенно это касается «затычек», вставляемых прямо в слуховой канал. Как показывают исследования, проведенные доктором Брайаном Флайгором (Brian Fligor) в Гарвардском университете, в сравнении с накладными наушниками «пробки» с резиновыми или силиконовыми амбюшурами повышают уровень звукового давления на 8–9 дБ!

САМИ ПО СЕБЕ НАУШНИКИ никакой анафемы не заслужили. Наоборот, душа радуется такому изобилию! Однако богатство это больше иллюзорное, касающееся в основном дизайнерских изысков, а не внутреннего содержания. А ведь именно оно и «заведует» качеством звука! Как конкретно? Об этом и поговорим дальше.

Любовь к громкой музыке в наушниках приводит к ухудшению способности различать звуки, причем сам человек этого может не ощущать

НАЧНЕМ С ТЕРМИНОВ, описывающих форм-факторы. В русском языке, в отличие от английского, их четкого определения нет. А в последнем, например, головные наушники (калька с headphones) делятся на circum aural, амбюшуры которых охватывают ухо полностью, и на supra aural, прижимающиеся к ушам в виде подушек. У каждого вида есть свои недостатки и преимущества, но для профессиональных задач, требующих отражения максимально достоверной звуковой картины, в подавляющем большинстве случаев применяются circum aural. Поэтому для Армина ван Бюрена, например, i-pod’ские «вкладыши» примерно то же самое, что и «Тройной» одеколон для искушенного парижского сомелье.

«ЯБЛОЧНЫЕ» ИЗДЕЛИЯ, кстати, входят в категорию earbuds («вкладышей») и несколько отличаются от earphones, вставляемых непосредственно в слуховой канал. Но и те и другие в силу чистой физики не способны обеспечить качество звуковой картины, сравнимое с пристойными headphones.

Ведь излучатель (иногда называемый драйвером) наушника – по сути, младший брат громкоговорителя, электроакустического устройства, преобразующего колебания тока в звуковой сигнал. Его принцип действия основан на школьном эффекте взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Сила, действующая на проводник, зависит от таких параметров, как активная длина проводника (поэтому – и подвижная катушка), сила проходящего тока и напряженность магнитного поля. Безнаказанно силу тока увеличивать нельзя из-за самоиндукции и нагрева, поэтому повысить отдачу можно за счет применения более мощных магнитов. Обратите внимание на модели с неодимовыми магнитами, обеспечивающими более сильное поле по сравнению со старыми ферритовыми: они, при прочих равных условиях, обеспечивают большую чувствительность.

МНОГОЕ ЗАВИСИТ от материала мембраны, излучающей поверхности, к которой крепится катушка. Ее механические свойства должны быть достаточно близки к характеристикам барабанной перепонки, поэтому в наушниках часто используются эластичные полимерные пленки, ассортимент которых весьма широк, а цена демократична.

ОДНАКО НЕКОТОРЫЕ изготовители считают, что полиэтилен, лавсан или полипропилен слишком бюджетны как по цене, так и по верности создаваемого музыкального полотна. Поэтому в дорогих устройствах применяются целлюлозные (в том числе и бумажные) и квазитекстильные (например, эвкалиптовый лиоцелл, вискоза или модное бамбуковое волокно) пленки и даже алюминиевые или титановые пластинки. Дело доходит до использования таких экзотических материалов, как продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Так поступила Sony, анонсировав биоцеллюлозные 20-микронные диафрагмы, выработанные Acetobacter aceti и сочетающие скорость и жесткость металлических мембран с теплотой и точностью (в оригинале – delicate) традиционных бумажных. Вместе с японским электронным гигантом над бедными бактериями «издевались» специалисты компании Ajinomoto и исследовательского института полимеров и текстиля (Research Institute for Polymers and Textiles of the Agency for Industrial Science and Technology).

КОНСТРУКЦИЯ ДИНАМИКОВ отработана десятилетиями, но существуют принципиальные ограничения, обойти которые невозможно даже в классе high end. Дело в том, что мы воспринимаем слишком широкий диапазон частот. А это значит, что излучатель должен работать и в режиме «поршня» на низких частотах, и одновременно – как звуковая «игла» на высоких частотах. При этом физические размеры мембраны пропорционально связаны с длиной излучаемой волны. Совсем недаром в классических многополосных колонках мы имеем дело с «мордатым» басовиком и крохотными «пищалками». Да и слышим мы низкие звуки менее разборчиво и больше телом, чем непосредственно ухом (из-за узости слухового канала, специализированного на прием более информативных средне- и высокочастотных звуков).

В итоге мембрана вместо чистого сигнала в силу своей инерционности излучает порядком искаженный модулированный, в котором высокочастотные колебания накладываются на низкочастотные. С учетом собственной жесткости мембраны и ее подвеса звуковая картина становится далекой от исходной.

НАСКОЛЬКО БОЛЬШИМ может быть излучатель во «вкладышах»? Понятно, что не очень громоздким, иначе он просто не влезет в ухо. В среднем диаметр мембраны в них составляет 8–10 мм, и это обстоятельство повышает нижнюю границу эффективно воспроизводимых частот до 100–120 Гц. А это, простите, уже никакой не hi-fi! Отметим, что о более-менее верном воспроизведении басов можно говорить при диаметрах излучателей не меньше 30 мм.

Свою долю вносит и такой фактор, как неравномерность магнитного поля, превращающая линейный характер взаимодействия проводника с током и магнита в турбулентные флуктуации. А как создать однородное в достаточном объеме поле у крошечного магнитика, будь он хоть трижды неодимовым? В том-то и дело, что никак. Вот вам и еще одно доказательство принципиальной невозможности существования мониторных «затычек».

В ПОПЫТКАХ ОБОЙТИ ограничения электродинамического принципа разработчики обратились к устройствам со сбалансированным якорем (balanced armature). В них возвратно-поступательное движение заменено вращением, вызывающим деформацию мембраны. Компактная «арматура» первоначально применялась в основном в медицинской и военной технике, так как при равенстве мощности подводимого сигнала обеспечивала 30-процентный прирост громкости. Но с частотным диапазоном все было не так радужно: как и все «дюймовочки», с баритоном и тем более басом они явно не справлялись.

Схема устройства арматурных наушников

В ОСНОВЕ «АРМАТУРЫ» – П-образная пластина-якорь с катушкой. Она подвешена в магнитном поле и может вращаться, при этом требования к однородности поля не такие жесткие. Подавая ток на катушку, мы заставляем вращаться якорь, подобно тому как отклоняются якоря с прикрепленной стрелкой-указателем в амперметрах. Главное преимущество такого решения – компактность и принципиальная закрытость конструкции. Последнее обстоятельство делает выбор материалов диффузора не таким фундаментальным, а саму диафрагму – свободной от модуляционных искажений.

ОДНАКО ПРИ БОЛЕЕ РОВНОЙ амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) рабочий диапазон «арматуры», как уже говорилось ранее, существенно ýже (хотя в последнее время производители добились некоторых успехов). Если для военных и слабослышащих это не так важно, то в продукции для меломанов без «танцев с бубном» не обойтись. И речь идет уже не о «вкладышах»! Наушники, претендующие на «мониторность» (то есть достоверное воспроизведение звукового сигнала), – сложные многополосные устройства, мало уступающие в качестве звука колонкам среднего класса. Как минимум, они снабжены двумя излучателями: динамик большого диаметра, который ни в какие «капли» не впихнуть, «раскачивает» басы, а крошечный драйвер-«пищалка» (на эту роль хорошо подходит «арматурка») отвечает за средние и высокие частоты.

НО ПОПЫТКИ СОЗДАТЬ идеальный излучатель не прекращаются. На эту роль сравнительно недавно претендовали планарные (изо- и ортодинамические) драйверы, в которых роль катушки играет токопроводящая спираль, нанесенная на тонкую мембрану, а вся конструкция помещена в «сандвич» из магнитных решеток. Наушники с такими излучателями выпускались даже в СССР, но большой популярности не обрели, так как требовали применения специализированных усилителей и были сравнительно дороги, не обеспечивая адекватного прироста качества звука при работе со стандартными источниками сигнала. То же самое можно сказать и об электростатических устройствах: на рынке представлены немногочисленные комплекты «наушники-специальный усилитель», но цены на них сравнимы со стоимостью подержанного автомобиля. Например, комплект Sennheiser Orpheus стоит более $ 10 тысяч.

Электостатические наушники Orpheus фирмы Sennheiser – одно из главных достижений в мире наушников. Выпущены в 1991 году всего в 300 экземплярах

БЫТЬ МОЖЕТ, мы сегодня являемся свидетелями расцвета индустрии наушников. Но очень скоро неугомонные микропроцессоры ворвутся и в эту обитель технологического консерватизма. Как вам, например, вариант прямого подключения слуховых нервов к миниатюрному аудиопроцессору размером с рисовое зернышко? Принимая беспроводной сигнал типа MegAudio Lossless с глубиной кодирования 1 кбит (против современных 128–256 бит) и частотой дискретизации 1 Мегагерц (сравните с несчастными 44,1 кГц у звуковых CD) по каналу Bluetooth, он будет передавать идеальный звук прямо в мозг. К тому же аудиопроцессор можно снабдить линиями обратной связи и обеспечить эффективное шумоподавление по образцу нынешних систем Active Noise Cancelling (ANC). И тогда наслаждение любимой музыкой станет совершенно безопасным!