KEF REFERENCE 109 - история создания флагманов.

ВВЕДЕНИЕ.

Эта статья посвящена одной из самых экстраординарных акустических систем, созданных под маркой KEF.
Основная часть информации взята из отчета A.P. Watson, стоявшего у истоков создания R109 / Maidstone, написанном в сентябре 1999 года, некоторых фактах из Википедии и личных встречах.
Автор и редактор благодарят сотрудников KEF и GP Acoustics, работающих в компании в настоящее время.


 


Фото 1. KEF REFERENCE 109 с супертвитером, акустическая система выставлена в KEF Music Gallery, Hong Kong.

 

КАК СОЗДАВАЛИСЬ KEF REFERENCE 109 MAIDSTONE. ПРЕДПОСЫЛКИ.

С середины 90-х годов прошлого века серия REFERENCE являлась наглядным примером философии KEF и подхода компании к акустическому дизайну. Компания к тому времени не раз доказывала, что качество звука зависит от тщательной проработки технических решений и технологичности производства. В акустических системах REFRENCE тех лет применялись два самых важных изобретения KEF на тот момент. Первое – это комбинированный драйвер Uni-Q, запатентованный KEF в конце 80-х годов — собранные в один модуль ВЧ и СЧ драйверы, сборка была спроектирована таким образом, чтобы акустический центр ВЧ драйвера располагался точно в акустическом центре СЧ драйвера. Второе - специально разработанная система воспроизведения НЧ-диапазона под названием Low Cavity (грубо говоря это закрытый ящик хитрой формы для НЧ динамиков). С технологической стороны успех предыдущих колонок серии REFERENCE был обусловлен кропотливой проработкой всех аспектов производства и подбором компонентов.Тщательный подбор всех материалов и компонентов и  тестирование каждого экземпляра акустических систем на каждом этапе производства вместе гарантировали покупателю получение пары акустических систем, которые были бы неотличимы от эталонного образца Design Reference - каждая пара колонок, после сборки одним мастером, проходила контрольное тестирование в безэховой камере, где сравнивалась с эталонной, референсной парой. Отсюда и взялось название серии - REFERENCE.

Драйвер Uni-Q демонстрировал превосходную стерео сцену с позиционированием инструментов в записи. Применение связанных резонаторов Coupled Cavity позволило добиться минимальных искажений и высокого звукового давления на низких частотах, а, при использовании двойных НЧ драйверов, обеспечивало прекрасные результаты для эстетически совершенных высоких и стройных акустических систем, ставших популярными в конце 80-х. Выведя на рынок в конце 80-х серию REFERENCE, KEF уверенно "застолбила" место стандарта качества в индустрии, а также получила возможность разработать новую, еще более совершенную акустическую систему, которая стала новым флагманом компании и максимально приблизила бы ее к своей цели – добиться идеального качества воспроизведения звука. И такой системой должна была стать модель REFERENCE 109 / Maidstone.
 

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ. ОБЪЕКТИВНЫЕ И СУБЪЕКТИВНЫЕ ЦЕЛИ.

Перед R109 / Maidstone ставились серьезные задачи — воспроизведение полной полосы частот с нужной динамикой и громкостью для прослушивания музыки. Разработка больших акустических систем обычно продиктована желанием получить более громкое звучание и способность воспроизводить более низкие частоты, но при этом инженеры KEF не хотели жертвовать точностью воспроизведения и сохранить низкий уровнень искажений во всем спектре частот и избежать окрашивания звука.  Задача громкого воспроизведения низких частот, да и еще и в самом нижнем диапазоне, фактически удвоила сложность разработки низкочастотной секции. Физика процесса весьма проста — чтобы воспроизводить более низкие частоты, НЧ драйвер должен двигать довольно большие объемы воздуха. А чтобы избежать окрашивания звука, необходимо произвести тщательный анализ поведения диафрагмы НЧ-драйвера при движении, рассчитать жесткость корпуса и поведение звуковых волн внутри НЧ секции. Способность громкого воспроизведения зависит также от импеданса  акустической системы — чем больше импеданс, тем сложнее обеспечить нужное количество тока, даже при использовании очень хорошего усилителя. Для решения всех поставленных задач инженерам KEF очень пригодился системный подход System Approach, который применялся в акустической лаборатории KEF в Мейдстоуне на тот момент уже много лет.

 

ТЕСТИРОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Как уже было отмечено выше, в акустических системах REFERENCE тех лет для воспроизведения ВЧ и СЧ диапазона применялся драйвер Uni-Q. Четвертое поколение, использовавшееся тогда, было значительным шагом вперед по сравнению со своими предшественниками, Uni-Q тех лет прекрасно справлялся с тональным балансом и построением стереообразов, демонстрируя правильность выбора коинцедентной конструкции комбинированного динамика. Это поколение Uni-Q было достаточно хорошим для использования во флагманских акустических системах еще как минимум в течение нескольких лет.

 

Рисунок 1. Лазерное сканирование СЧ-диафрагмы в модуле Uni-Q SP1415. Скан показывает движение конуса при 3,1 кГц. Изгибные волны в конусе идут наружу от центра к подвесу, где демпфируются материалом подвеса. Эта деликатная «рябь» - идеальное поведение диффузора, также известное как «контролируемый резонанс» (controlled break-up).

 

Внимательное рассмотрение низкочастотной секции «Coupled Cavity», применяемой в то время инженерами KEF в младших моделях, показало, что несмотря на высокую эффективность этой технологии для небольших корпусов, при отсутствии ограничений на размер акустической системы и ее цену, воспроизведение низких частот в диапазоне ниже 400 Гц может быть улучшено путем использования наработок, сделанных при разработках моделей 105 и KM1. После исследования различных вариантов, инженеры KEF остановились на концепции использования драйверов прямого излучения для мидбаса и низких частот. Под R109 были разработаны новые драйверы, максимально оптимизированные для этой акустической системы.

 

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ.

Анализ ВЧ/СЧ секции показал, что комбинированный драйвер Uni-Q четвертого поколения имеет минимальные искажения на частотах выше 400 Гц. На этих частотах перемещение среднечастотного диффузора было сведено к минимуму, что позволяло снизить искажения и устранить возможность влияния «подвижных стенок волновода» на излучение высоких частот.

С другой стороны частотного спектра, в НЧ секции, было решено учесть ряд условий, в числе которых было требование к акустической системе по заданной величине спада на ультранизких частотах. Ключевыми моментами являлись: глубина баса (по уровню -6 дБ); демпфирование (форма кривой спада); максимальный уровень звукового давления (для заданного уровня искажений). Было принято решение, что идеальным вариантом будет применение одного качественного 15-дюймового динамика в фазоинверторном оформлении, вместо закрытого ящика с двумя резонаторами (Coupled Cavity). Впрочем, практические испытания показали, что идея заставить 15” динамик играть частоты вплоть до 400 Гц (до частоты, с которой "вступал в игру" Uni-Q) - не самое лучшее решение. Обычно в этих случаях гораздо лучше работал отдельный динамик для нижней середины (mid-bass). Таким образом, очевидным решением стало использование еще одного, промежуточного драйвера, размером 10”, с оформлением «закрытый ящик», но также с прямым излучением.

Исходя из вышеописанного стал понятен конструктив будущей акустичской системы:
  - 15” драйвер с оформлением «фазоинвертор», отвечающий за диапазон до 100 Гц; 
  - 10” драйвер в закрытом ящике для нижней середины от 100 до 400 Гц; 
  - комбинированный драйвер Uni-Q, работающий от 400 до 20 000 Гц с кроссовером на 3 кГц; 

После этого инженеры смогли приступить к разработке драйверов, используя все доступные им методы моделирования для расчета поведения диафрагм и оптимизации различных деталей.

 

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ДРАЙВЕРОВ — SP1405 (15”) и SP1406 (10”).

К тому времени KEF уже имел долгую и успешную историю в области проектирования и разработки новых драйверов, используя самые современные материалы и технологии. Наличие у компании многолетнего опыта в производстве классических моделей, таких как B139, B110 и T27, позволило после появления неодимовых магнитов создать на их базе первый драйвер Uni-Q. Также KEF всегда находилась на переднем крае компьютерного моделирования поведения акустических систем, используя метод Моделирования Конечных Элементов (Finite Element Modelling,  далее - МКЭ). Например, магнитная система басовых динамиков проектировалась как раз с использованием этой технологии. Таким же образом рассчитывались вибрации корпуса, поведение диафрагм драйверов и распространение акустических волн.

Фото 2. Enrico Cecconi, разработчик динамиков в процессе работы.

 

SP1405, 15" НЧ ДРАЙВЕР.

Ключевое решение было принято на самом раннем этапе разработки — оба низкочастотных динамика будут использовать систему «короткая катушка-длинный зазор». В этом случае магнитная катушка всегда находится в зоне постоянного магнитного поля, и таким образом достигается низкий уровень искажений при одинаковых ходах. Обычно разработка такой магнитной системы считается довольно дорогим удовольствием, но использование метода МКЭ позволило сократить время и существенно сэкономить на изготовлении опытных образцов. Форма металлических частей драйвера была специально создана для оптимального контроля магнитного поля вокруг критической зоны зазора.

 

Рисунок 2. Разрез нового НЧ динамика, модель SP1405

 

Для улучшения поведения диафрагмы была использована схема с двойным подвесом, которая дала дополнительную стабильность поведения диффузора и обеспечила уверенность в том, что ход диафрагмы будет подобен ходу поршня, без деформаций. Для изготовления диафрагмы была выбрана специально обработанная бумага - прекрасный материал для изготовления диафрагм, если его правильно использовать. Коническая форма диафрагмы дает дополнительную жесткость, а для подвеса было решено использовать прочную резину. Изготовленная таким образом диафрагма показала отличные характеристики, а точный поршневой ход позволял воспроизводить частоты, существенно за пределами требуемых 100 Гц. Корзину сделали из литого алюминия, а места крепления были тщательно рассчитаны для минимизации утечки механической энергии колебаний.

Рисунок 3. Лазерное сканирование поведения SP1405 на частоте 300 Гц.
Небольшая деформация на краю — первый признак того, что диафрагма перестает вести себя как поршень, но частота 300 Гц находится гораздо выше требуемого порога в 100 Гц для этого динамика.

 

SP1406, 10" МИДБАСОВЫЙ ДРАЙВЕР.

При разработке SP1406, по аналогии с SP1405, также была выбрана схема с короткой катушкой, бумажный диффузор и литая алюминиевая корзина. Существенным отличием стала специальная технология намотки провода — она обеспечила более жесткую структуру сердечника с катушкой. SP1406 создавался как выделенный мидбасовый драйвер, что ставило при разработке несколько другие задачи по сравнению с SP1405. Поведение диффузора на более высоких частотах становилось критичным, надо было соблюсти баланс между поршневым ходом диффузора во всем диапазоне рабочих частот (от 100 до 400 Гц) и контролируемым поведением на верхней границе этого диапазона, где кроссовер будет отсекать более высокие частоты и отправлять их на модуль Uni-Q.

 

Рис.4 Первая резонансная мода в мидбасовом динамике SP1406 возникает на 560Гц, где подвес помогает контролировать резонанс.

 

РАЗРАБОТКА КОРПУСА.

Конструкция корпуса акустической системы с практической точки зрения должна служить только одной простой цели — корпус должен жестко удерживать остальные компоненты на месте, чтобы единственными подвижными элементами были диффузоры драйверов (и воздух в фазоинверторных портах). Энергия от движения диафрагмы в обратном направлении должна быть управляемой и не должна мешать излучению вперед, а передняя стенка акустической системы должна способствовать равномерному рассеиванию звука в комнате прослушивания.

Для R109 было решено использовать «модульную» конструкцию. Каждый драйвер имел собственный отдельный корпус для минимизирования взаимного влияния, эти корпуса проектировались по отдельности с сохранением максимальной жесткости, а все они вместе собирались в единое целое, без риска взаимодействия друг с другом. Более того, для улучшения виброразвязки между корпусами и расчета точек крепления также использовался метод МКЭ. НЧ секция, нижняя в сборке, развязывалась от пола четырьмя шипами и была достаточно стабильной основой для еще двух корпусов — мидбасового и средне-высокочастотного, которые были жестко закреплены между собой и размещались на НЧ секции, опираясь на три шипа. Для того, чтобы выровнять все модули по фазе, корпус колонки имел наклон назад в 6 градусов.

Конструкция корпусов прорабатывалась с полным вниманием к деталям — все корпуса делали из МДФ толщиной 25 мм, за исключением передней стенки НЧ секции, которая имела толщину в 50 мм для обеспечения надежного крепления НЧ динамика, который весил 17,5 кг. Каждый корпус имел дополнительные металлические стягивающие штанги внутри для увеличения жесткости, которая еще более увеличивалась за счет изгиба задней и передней панелей.


Рис.5 Сравнение корпусов для Uni-Q с внутренними стяжками и без них. На графике показана скорость вибрации передней панели из-за возбуждения драйвера Uni-Q. Стянутый дополнительными металлическими стяжками корпус показывает гораздо лучшее поведение на частотах 250Гц, 1 кГц и 1,4кГЦ.

 

Внутреннее акустическое демпфирование критически важно для каждой секции. Три причины, по которым надо демпфировать внутренний объем:

  • A. Поглощение стоячих волн;
  • B. Поглощение двигающихся волн более высокой частоты;
  • C. увеличение демпфирования для нижней границы среза по НЧ.

Впрочем, низкочастотная секция R109 не имела такого демпфирования, поскольку это было не нужно при столь низких частотах, на которые она должна была воспроизводить, это бы даже мешало работе диффузора НЧ динамика, увеличивая акустическое сопротивление и уменьшая отдачу на частотах, близких к нижней границе. Секция мидбаса имела среднее наполнение нетканым ацетатным волокном - именно в таком объеме, который был нужен для поглощения стоячих волн, но при этом не приводил бы к замедлению звука. Секция с Uni-Q имела комбинированное заполнение  из специального вспененного материала вокруг драйвера и волокнистого материала по краям. Выбор материала для демпфирования в равной мере основывался как на измерениях, так и на прослушиваниях.

Ширина передней панели НЧ секции большей частью определялась размером 15 дюймового динамика, этот же размер сохранили для мидбасовой секции и для секции с Uni-Q. Для этого были очевидные косметические причины, впрочем это было обосновано и с акустической точки зрения. Существуют различные варианты конструкции фронтальной панели акустических систем, некоторые работают хорошо, а какие-то - не очень, но основные теоретические модели - это «поршень на конце трубы», «поршень в сфере» и «бесконечная фронтальная панель». В реальной жизни проектировщик всегда должен выбрать что-то среднее между этими схемами, и в этом случае необходимо полностью понимать как будет себя вести передняя стенка акустической системы,  и как она будет влиять на поведение громкоговорителя. Метод МКЭ помог в расчете поведения передней стенки и позволил проектировщикам получить представление о поведении передней стенки без изготовления бесчисленного количества прототипов. Подобный изгиб передней стенки уже применялся инженерами KEF ранее, например, для центрального канала 200C и для REFERENCE 105/3 (правда, в этом случае изгиб был скорее вертикальный, чем горизонтальный). В случае с R109 передняя стенка изогнута в стороны и назад, для уменьшения эффекта дифракции от углов корпуса. Благодаря такой конфигурации корпуса звук на частотах менее 1кГц чуть более направленный, но для частот выше 1 кГц (за которые в основном отвечает динамик Uni-Q) диаграмма равномерной направленности гораздо шире.

Большая звуковая направленность на частотах ниже 1кГц добавляет уникальности звучанию R109. Обычно в узком корпусе широкая диаграмма направленности сохраняется до 1кГц, становясь гораздо более узкой с дальнейшим увеличением частоты (из-за направленности работы драйверов). Широкая передняя стенка R109 уменьшает излишнюю направленность низкочастотного диапазона, что позволяет лучше «сшить» его с частотами, за которые отвечает Uni-Q. Это означает, что направленность звучания системы гораздо лучше контролируется в широком диапазоне частот, чем у обычного узкого корпуса. В результате увеличивается отношение прямого излучения к отраженному, что улучшает четкость звучания и уменьшает влияние комнаты прослушивания. Однородность диаграммы направленности  практически во всем диапазоне частот принесла R109 лавры акустической системы для воспроизведения «как вживую».

Рисунки с 6 по 8 показывают информацию о результатах моделирования изгиба передней стенки R109 по методу МКЭ. В первом приближении физическая структура была упрощена до сетки, диафрагма была смоделирована как массив точечных излучателей в виде 6 дюймового модуля и после этого акустическое излучение было рассчитано на широком диапазоне углов. Из приведенных данных четко понятно, что при использовании изогнутой передней панели при отклонении от идеального угла прослушивания диаграмма направленности сохраняет свои параметры гораздо дольше. Направленность при 1,5 кГц такая же, как на 300 Гц, где изогнутая передняя стенка позволяет сохранить ее параметры и для НЧ драйвера.


 

Рис. 6 Внеосевой отклик диффузора при плоской передней стенке. Объем корпуса аналогичен корпусу для Uni-Q в R109. Кривые показывают звуковой отклик на 15, 30 и 45 градусах отклонения по горизонтали, относительно оси.

 

 

 

Рис 7. Модель корпуса для динамика Uni-Q, выполненная для расчета по методу конечных элементов.

 

Рис.8 Внеосевой отклик диффузора в секции Uni-Q модели KEF R109. Кривые показывают звуковой отклик на 15, 30 и 45 градусах отклонения по горизонтали, относительно оси.

 

ДИЗАЙН И РАСЧЁТ КРОССОВЕРА.

Задача кроссовера — объединить все четыре драйвера в одну единую акустическую систему, работа которой будет соответствовать желаемым параметрам по амплитудно частотным и фазовым характеристикам. После предварительного исследования было принято решение об использовании акустических фильтров четвертого порядка для драйвера Uni-Q, второго порядка между мидбасом и Uni-Q и асииметричного фильтра второго/четвертого порядка между НЧ и мидбасом. После того, как все драйверы были смонтированы в готовых корпусах, и их акустические параметры были измерены, информация была загружена в компьютер, где с помощью специального пакета программ был произведен расчет кроссовера. Целевые параметры были заданы для каждой из полос акустической системы, и в результате комбинирования компьютерных данных и «ручных» экспериментов, после целой череды подстроек и проверок инженеры получили теоретические параметры, по которым были построены первые экземпляры кроссоверов, после чего можно было перейти к реальному прослушиванию и тестированию.

 

Фото 3. - Разработчик системы Andrew Watson
 

 

Фото 4. Кроссоверы R109.
 

Кроссовер пытались сделать максимально эффективным, без избыточных компонентов на пути сигнала. Выбор компонентов кроссовера очень важен, поскольку это позволяет сохранить высочайший уровень качества сигнала. Полипропиленовые конденсаторы, обладающие минимальными потерями, используются всегда, когда можно, так же как и катушки с воздушными сердечниками, которые более предпочтительны, чем катушки с ферритовыми сердечниками, из-за меньших искажений, возникающих благодаря эффекту насыщения. Печатные платы были сделаны из высококачественного фибергласа, а дорожки были покрыты золотом.

 

 

Рис.9 АЧХ R109, при измерениях на оси (сверху) и вне оси (снизу)

 

ПРОСЛУШИВАНИЕ И ДОРАБОТКА КРОССОВЕРА.

Система прошла огромное количество тестов и  прослушивалась в разных комнатах, с большим ассортиментом усилителей. В KEF принято использовать несколько субъективных критериев для оценки каждой разрабатываемой акустической системы, и несколько обученных слушателей проверяют каждый прототип — соответствует ли он этим критериям или необходимо внести доработки. Количество вариантов кроссоверов при тестовых прослушиваниях достигало десятков комбинаций.

 

Рис 10. АЧХ каждой секции и зависимость входного сопротивления от частоты.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ.

Для лучшей совместимости с разными комнатами, где будут эксплуатироваться эти акустические системы, была предусмотрена возможность регулировки АЧХ на высоких частотах от 5кГц до 20кГц в пределах +-1 дБ. Это позволило улучшить результаты в сильно заглушенных или наоборот чересчур ярких комнатах. Также была предусмотрена возможность отключения пассивного кроссовера и использования внешнего электронного активного кроссовера - все драйверы имеют отдельные входы. Внимание к деталям при изготовлении этой акустической системы было настолько велико, что было использовано покрытие золотом не только для клемм, но и для перемычек, шипов, конусов и остальных съемных и токопроводящих деталей. Каждая акустическая система собиралась вручную на фабрике в Мейдстоуне одним человеком от начала и до конца, полностью отвечающим за результат. Каждая акустическая система имела подписанный сертификат с результатом измерения АЧХ в безэховой камере. 

 


 
Фото 5. Комбинированная позолоченная панель для подключения акустического кабеля и серийный номер. 


ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разработка R109 заняла несколько лет. На протяжении этого времени инженеры KEF изучили все аспекты искусства проектирования громкоговорителей и создали акустическую систему, которая заслужила звание одной из лучших в мире. Эта система для требовательного любителя музыки, который хочет получить акустику, способную честно воспроизвести весь акустический и динамический диапазон музыкального сигнала. Купить эти акустические системы в настоящее время очень и очень сложно, в распоряжении KEF находится всего несколько штук, одна из которых выставлена в KEF Music Gallery в Гонконге, еще одна в Токио и одна пара в музее KEF в Мейдстоуне. Дальнейшее развитие R109 - это второе поколение, с супертвитером, расширяющем воспроизвдение ВЧ до 50 кГц.


Оригинал документа A.P. Watson - R109 Maidstone, pdf.
Текст и перевод - Олег Люгин.
Редактирование - Ярослав Воробьев, Олег Баньковский.
Москва, 2018 г.