ГЛАВА 5. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ 5.1. Общие сведения
advertisement
ГЛАВА 5. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ 5.1. Общие сведения, классификация, основные параметры Общие сведения Громкоговорителем называют электроакустический аппарат (устройство), предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические волны в воздушной среде. Громкоговоритель является конечным звеном любого звукового тракта и одним из наиболее важных, т. к. его свойства оказывают большое влияние на работу тракта в целом. Конструктивно громкоговоритель состоит из одной или нескольких головок громкоговорителей (ГГ), акустического оформления, фильтров, трансформаторов, регуляторов уровня и т.п. В соответствии с определением словаря МЭК термин «громкоговоритель» (loudspeaker) применяется как к громкоговорящей системе в целом, так и к одиночному преобразователю (unit loudspeaker), который в отечественной литературе и стандартах называют «головкой громкоговорителя». В дальнейшем головкой громкоговорителя (ГГ) будем называть пассивный электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования электрических сигналов звуковой частоты в акустические, не содержащий каких-либо дополнительных устройств (корпуса, фильтров и т.д.). Головки громкоговорителя являются составной частью любой звуковоспроизводящей аппаратуры: телевизоров, радиоприемников, магнитофонов, домашних акустических систем, аппаратуры кинотеатров и концертных залов, студийных контрольных агрегатов и т. п. Ежегодно в мире производится более полумиллиарда ГГ, очень широка их номенклатура, достигающая нескольких тысяч моделей, сильно отличающихся по своим параметрам, например, по входной электрической мощности от 0,1 до 1000 Вт, по диаметру диффузора от 25 до 500 мм и т. д. Функционально-системная структура громкоговорителя представлена на рис.5.1. Она определяется последовательностью взаимосвязанных физических процессов, происходящих при преобразовании электрического сигнала источника в акустический, т.е. представляет собой цепочку, выполняющую следующие преобразования: U → i →F → ξ → p (5.1) Таким образом, функционально систему « Громкоговоритель» можно разделить на следующие звенья (подсистемы): 1- электрическое; 2- электромеханическое (преобразователь – двигатель); 3- акустико-механическое (или, по направлению, механоакустическое); 4- акустическое (излучающая антенна). Рис. 5.1. Функционально-системная структура громкоговорителя Электрическое звено выполняет функцию согласования электрического входа преобразователя (с комплексным входным сопротивлением Zc) c выходным сопротивлением усилителя мощности Ri . Электромеханическое звено (преобразователь) используется в громкоговорителях в режиме двигателя, создает на выходе механическую силу F . В заторможенном режиме (zн = ∞), эта сила F = Kэмi , (5.2) где Кэм - коэффициент электромеханической связи. Акустико-механическая подсистема громкоговорителя выполняет функцию согласования частотных зависимостей активной компоненты сопротивления излучения rи и собственного механического импеданса громкоговорителя zс. Акустическая подсистема представляет собой излучающую антенну, формирующую сопротивление излучения системы в целом. Акустическую мощность излучателя можно представить (см. главу 6), как Wa ξ 2 ru ξ 2 ρvSru (5.3) Здесь ρ - плотность воздуха, v - скорость звука, S - эффективная площадь излучателя, ru - нормированная величина сопротивления излучения. Эффективность излучения звука ГГ принято определять величиной коэффициента полезного действия (КПД) громкоговорителя (иначе называемой коэффициентом электроакустической отдачи), являющейся отношением излучаемой активной части акустической мощности Wa к полной подводимой электрической мощности Wэ , т.е.: Wa 2ru эа 2 Wэ i Z c (5.4) Амплитудно-частотная характеристика звукового давления конкретного громкоговорителя зависит от целого ряда факторов: - типа электромеханического преобразователя; - волновых размеров излучателя; - типа акустического оформления ; - частотного характера полного механического и входного электрического импеданса. Классификация Классификация громкоговорителей (и головок громкоговорителей) осу- ществляется по нескольким признакам. Одним из основных является тип преобразователя. По этому признаку различают - электродинамические (катушечные, ленточные, изодинамические, излучатели Хейла); электромагнитные (с неподвижной катушкой); электростатические (в том числе электретные); пьезоэлектрические (пленочные, биморфные), плазменные и т.д. По способу излучения различают головки прямого излучения и рупорные. У рупорного громкоговорителя диафрагма связана с внешней средой через рупор, а у остальных излучает непосредственно в окружающую среду, поэтому их называют еще громкоговорителями прямого излучения. Громкоговорители прямого излучения (акустические системы) различают также по типу акустического оформления: в экране, закрытом или открытом ящике, в фазоинверторе, в виде звуковой колонки. По диапазону воспроизводимых частот головки делятся на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и широкополосные (например, для головок динамических отечественного производства это ГДН, ГДС, ГДВ и ГДШ). По форме диафрагмы: плоские, купольные, конические (диффузорные). По области применения: бытовые, автомобильные, телевизионные, профессиональные (концертно-театральные, студийной аппаратуры и т.д.) По потребляемой электрической мощности, по диаметру диффузора. Основные параметры и характеристики Электроакустические параметры громкоговорителей и головок, а также методы их измерений, подробно рассмотрены в отечественных [9] и международных стандартах. Здесь мы остановимся только на наиболее важных с точки зрения эксплуатации. Частотная характеристика по звуковому давлению E0 (ЧХЗД) – зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра, от частоты при постоянстве величины напряжения на входе. Обычно ЧХЗД измеряют на расстоянии 1м по рабочей оси громкоговорителя. Неравномерность ЧХЗД – разность уровней давлений pmax и pmin в заданном диапазоне частот, выраженная в дБ, т.е. Nн = 20lg pmax/ pmin; (5.5) Эффективно воспроизводимый диапазон частот – диапазон, в пределах которого ЧХЗД не выходит за пределы заданного поля допусков (рис.5.2) или обладает неравномерностью, не превышающей заданное значение. Для разных классов громкоговорителей поля допусков могут быть разными. Рис. 5.2. Частотная характеристика звукового давления в поле допусков Характеристическая чувствительность (ХЧ) – среднее звуковое давление, развиваемое ГГ в заданном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1м от рабочего центра ГГ при подведении электрической мощности 1 Вт. Так как непосредственное измерение КПД весьма затруднительно, то ХЧ – Ехч [ Па/ √Вт]служит в настоящее время основной мерой эффективности работы громкоговорителя. В технической документации часто приводится не ХЧ, а ее уровень в дБ, т.е. Nх =20lg Ехч /pо, где pо =2∙10-5Па. Модуль полного входного электрического сопротивления (импеданс) Zвх=Zс имеет сложный комплексный характер, поэтому обычно измеряют его частотную характеристику. Эта характеристика важна для согласования ГГ и усилителя мощности. Частота основного резонанса – совпадает с частотой резонанса механической системы и определяет нижнюю граничную частоту воспроизведения ГГ. Номинальное электрическое сопротивление – активное сопротивление, эквивалентное сопротивлению ГГ. Коэффициент гармонических искажений (КГИ) n – го порядка Кгn и суммарный КΣ служит мерой нелинейности ГГ. КГИ определяют при подаче синусоидального сигнала при оговоренной электрической мощности. Величину КГИ определяют в соответствии с формулой (5.4) Kг = pn/p1∙100%; K Σ K 2 K 3 ... K n , 2 2 2 (5.6) где p1 – величина звукового давления на частоте сигнала, pn – на n-кратной частоте. КГИ самая распространенная, но не единственная мера нелинейности, некоторые виды нелинейности ГГ вообще не могут быть определены с помощью измерения КГИ. В этом случае нелинейные искажения оцениваются на основе измерения интермодуляционных искажений, проявляющихся в том, что при подаче на вход системы двух гармонических сигналов u1 = U1 sin w1t и u2= U2 sin w2t ( причем согласно [9] их амплитуды устанавливают в соотношении U1/U2= 4:1, а частоты ω2/ω1 = 6, где ω1- ближайшая сверху к нижней граничной данного ГГ частота 1/3 октавного ряда. На выходе системы помимо гармоник появляются комбинационные тоны с частотами ω2 ±ω1 и ω2 ± 2ω1, и т. д. При передаче реального сигнала со сложным спектром нелинейность системы выражается в изменении состава спектра, т.е. в появлении в выходном сигнале таких спектральных составляющих, которых не было во входном сигнале. Субъективно это воспринимается как появление призвуков, хриплости звука, звона на пиковых сигналах и т.п. К специфическим для ГГ видам нелинейных искажений относится призвук, субъективно воспринимаемый как тон (или группа тонов), звучащий одновременно с тоном основной частоты, а также дребезжание, возникающее в ГГ, имеющих механические дефекты, субъективно воспринимаемое как звук, не имеющий выраженной тональной окраски. Отсутствие дребезга при номинальной мощности ГГ контролируется как субъективными, так и объективными методами. Для излучателей звука большое значение имеют его направленные свойства, которые сильно зависят от частоты. Характеристика направленности (ХН) - зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля,( на фиксированном расстоянии Х от его рабочего центра), от угла между рабочей осью ГГ и направлением на указанную точку. ХН – R(θ) = p(θ)/p(0) измеряют на октавных частотах или в определенных полосах частот. Графическое выражение ХН называют диаграммой направленности. Коэффициент осевой концентрации (КОК) – отношение квадрата звукового давления на оси ГГ на фиксированном расстоянии от центра (обычно Х=1м) на частоте f к среднеквадратичному звуковому давлению для всех направлений, т.е. p 2 00 p 2 2 2 R sin d . (5.7) 0 Понятие КОК аналогично коэффициенту направленности микрофона. Индекс направленности I – это КОК, выраженный в дБ, т.е. I=10 lg Ω. К мощностным характеристикам ГГ относятся выходная акустическая и входная электрическая мощности. Различают несколько типов электрической мощности. Акустическая мощность – средняя мощность излучаемого ГГ сигнала на частоте f или в полосе частот. Номинальная мощность – электрическая мощность, ограниченная возникновением нелинейных искажений, превышающих заданное значение. Максимальная шумовая (паспортная)- электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической прочностью ГГ. Она должна быть не меньше номинальной. Испытания на соответствие этой мощности проводят в течение 100 часов на шумовом сигнале. Этот вид мощности в различных источниках называют также «музыкальной мощностью», или «долговременной мощностью». Предельная максимальная кратковременная (пиковая) мощность – электрическая мощность, которую ГГ выдерживает без повреждений в течение секунды (при испытаниях сигнал подают 60 раз по 1 секунде с интервалом в 1 минуту). Это понятие близко к понятию «пиковой музыкальной мощности». Перечисленными понятиями электрических мощностей не исчерпывается их многообразие. Очевидно, что эти виды мощности (например, пиковая от номинальной) могут весьма существенно отличаться по величине. 5.2. Диффузорные громкоговорители прямого излучения Наибольшее распространение в настоящее время получили электродинамические катушечные головки громкоговорителя, типичная конструкция которых представлена на рис. 5.3. Конструктивно головка состоит из двух основных узлов: подвижной (1-5) и магнитной (6-9) систем. Подвижная система состоит из звуковой катушки 1, на которую подается напряжение звуковой частоты, скрепленной с ней конической диафрагмы 2 (диффузора), гибкого подвеса состоящего из центрирующей шайбы 3 (у вершины конуса диффузора) и гофра 4 (по внешнему краю диффузора). Роль подвеса заключается в обеспечении колебаний подвижной системы с большой амплитудой в осевом направлении при исключении возможности поворотных колебаний диффузора, приводящих к касанию звуковой катушки о металлические детали магнитной цепи. Вершину конуса закрывают куполообразным колпачком 5, защищающим зазор магнитной цепи от пыли и частиц металла, а также придающим системе большую жесткость. Звуковая катушка головки наматывается достаточно толстым (по сравнению с динамическим микрофоном) проводом из меди или алюминия на тонкий цилиндрический каркас из картона, теплостойких полимеров или немагнитного металла. Обычно намотка катушки, как и в микрофонах двухслойная. Для лучшего заполнения рабочего зазора помимо проводов с традиционно круглым сечением, в настоящее время применяют провода с квадратным, прямоугольным и эллипсоидальным сечением. Рис. 5.3. Устройство головки электродинамического диффузорного громкоговорителя ( а – разрез, б – внешний вид): 1- звуковая катушка, 2 – диффузор, 3 – центрирующая шайба, 4 – гофр, 5 – пылезащитный колпачек, 6 – кольцевой магнит, 7 – керн, 8 и 9 – верхний и нижний фланцы, 10 - диффузородержатель, 11 – отверстия, 12 – высокочастотный конус (у широкополосной головки), 13 – электрические выводы. Магнитная цепь (МЦ) состоит из постоянного магнита 6 (чаще кольцевого), керна 7, верхнего (8) и нижнего фланцев (9). Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом из магнитотвердого материала, с помощью остальных деталей магнитной цепи, изготовляемых из магнитомягких мате- риалов (т.е. обладающих малым магнитным сопротивлением), направляется в воздушный зазор. Этот зазор образуется между керном 7 и верхним фланцем 8, он имеет форму цилиндрической щели шириной δ, где создается сильное постоянное магнитное поле радиального направления. В зазор и помещается звуковая катушка. Объединение подвижной и магнитной систем осуществляется с помощью металлического диффузородержателя 10, который крепится к переднему фланцу МЦ и к которому, приклеиваются внешние края гофра и центрирующей шайбы. В корпусе диффузородержателя имеются широкие отверстия 11, препятствующие образованию малого замкнутого объема с тыльной стороны диффузора. Взаимодействие переменного магнитного поля, создаваемого током в звуковой катушке с постоянным магнитным полем в зазоре вызывает колебания звуковой катушки совместно с диффузором, в результате чего происходит излучение звуковой волны. В низкочастотной области, можно считать, что диффузор совершает поршневые колебания, т.е. все точки его поверхности движутся с одинаковой амплитудой и фазой. Тогда подвижную систему можно представить в виде простой механической колебательной системы с массой m1, гибкостью c1, и активным сопротивлением r1. Масса m1 включает в себя массу диффузора mд, звуковой катушки mзк и соколеблющуюся массу воздуха mс. Гибкость c1 обусловлена гибкостями двух параллельных пружин – гофра cг и центрирующей шайбы cш. Активное сопротивление r1 состоит из сопротивления трения rт, обусловленного механическими потерями в диффузоре, подвесах и трением воздуха в воздушном зазоре, а также активной составляющей rи сопротивления излучения. До сих пор мы рассматривали излучатель в виде плоской жесткой пластины (поршня), что вполне оправдано на низких частотах. Однако с повышением частоты возбуждающей силы выше первой собственной частоты круглой пластины [2], колебания по ее поверхности распределяются уже с различными амплитудами и фазами, а при частоте совпадающей со второй симметричной модой появляется кольцевая узловая линия, разделяющая диафрагму на две примерно равные площадки, колеблющиеся в противофазе. Это отражается на частотной характеристике излучения в виде крутого провала. На более высоких частотах такие провалы будут повторяться с определенной регулярностью. Появления пиков и провалов на ВЧ связано также с местом закрепления звуковой катушки вблизи вершины конуса диффузора. Сила, приложенная к диффузору со стороны катушки, разлагается на две составляющие – продольную (вдоль образующей конуса) и поперечную, приводящую к возникновению поперечных колебаний диффузора, распространяющихся от вершины к краю диффузора со скоростью пропорциональной √ωΔ (где Δ –толщина диффузора). На частотах, где длина волны этих колебаний становится соизмерима с диаметром диффузора, появляется отраженная от края диффузора волна, которая, складываясь с прямой, образует вдоль радиуса его поверхно- сти стоячую волну, в результате диффузор перестает колебаться как единый поршень. Для того чтобы сдвинуть зону поршневых колебаний в область более высоких частот (по сравнению с равновеликой пластиной), диафрагме и придают форму сферического сегмента, а чаще - конуса, утолщая его стенки у вершины с постепенным уменьшением их толщины к основанию. В широкополосных ГГ влияние этого фактора уменьшают с помощью высокочастотного конуса 12 (см. рис. 5.3.). 5.3. Излучение звука в среду, роль и виды акустических оформлений Сопротивление излучения, акустическая мощность В громкоговорителях диафрагма представляет собой оболочку той или иной формы, является частью электромеханического преобразователя и одновременно выполняет функцию излучения звука либо непосредственно в окружающую среду (прямое излучение), либо через согласующее устройство (рупор). Математически задачи излучения звука телами различной формы весьма сложны. Поэтому обычно рассматривают простейший случай, заменяя излучающую поверхность диафрагмы эквивалентным по площади поршнем, считая, что все его точки колеблются синфазно с одинаковой амплитудой. Такая замена обычно вполне оправдана, т.к. физическое понимание процесса излучения облегчается и имеют более общий характер. Очевидно, что в вакууме такой поршень легче заставить колебаться, чем в воздухе, в воздухе легче, чем в воде, т.е. среда оказывает сопротивление этим колебаниям, сильно зависящее от ее свойств. Это сопротивление, оказываемое средой в месте ее соприкосновения с колеблющейся поверхностью, называют сопротивлением излучения (zи). Другими словами, среда создает дополнительную механическую силу Fи =zи ξ , препятствующую движению поршня. Физически это означает, что часть прилегающей к поверхности поршня среды деформируется и передает эту деформацию дальше, т.е. участвует в процессе волнообразования или излучения звука. Эта часть среды создает активную составляющую сопротивления излучения. Другая часть среды совершает синфазное с поршнем колебательное движение, но не участвует в передаче деформации, т.е. в волновом процессе. Эта часть среды создает реактивную составляющую сопротивление излучения, носящее инерционный характер, что позволяет говорить о некоторой присоединенной или соколеблющейся массе воздуха. Итак, для процесса излучения звука необходима деформация среды, в результате чего возникают избыточные давления, распространяющиеся далее в этой среде. Однако сам факт колебаний поршня в среде, еще не означает, что такие деформации обязательно возникнут. Величина и частотная зависимость таких деформаций в значительной степени определяется не только свойствами самой среды (волновым сопротивлением), но и акустическим оформлением излучателя. Теоретический анализ работы излучающих систем математически весьма сложен, поэтому здесь ограничимся рассмотрением основных физических процессов, представляющих прикладной интерес. Рассмотрение начнем с осциллирующего поршня без экрана (рис. 5.4,а). При колебаниях такого поршня на относительно низких частотах (НЧ), когда радиус излучателя мал по сравнению с длиной звуковой волны, воздух, выталкиваемый одной стороной поршня, затягивается другой стороной. В результате этого происходит поступательное передвижение молекул воздуха с одной на другую сторону поршня и обратно без упругой деформации среды и, как следствие, резко падает активное сопротивление излучения, а реактивная (инерционная) составляющая несколько увеличивается. Поэтому эффективность излучения поршня без экрана на НЧ крайне мала. Рис. 5.4. Типы поршневых излучателей: - осциллирующий поршень без экрана на низких частотах (а), на высоких частотах (б); поршень в бесконечном экране (в); односторонний поршень с закрытой задней стенкой (г) На более высоких частотах (ВЧ) частицы воздуха не успевают за один полупериод колебаний обогнуть поршень (рис.5.4,б), увеличивается упругая деформация среды, следовательно, резко возрастает с ростом частоты активная составляющая сопротивления излучения, реактивная составляющая при этом уменьшается. Характеристика направленности осциллирующего поршня в этой области частот R(θ) =cosθ. Отсутствие излучения в плоскости излучателя (θ = π /2) объясняется тем, что расстояние от любой точки этой плоскости до обеих сторон поршня одинаково, поэтому волны, излучаемые противоположными сторонами поршня (сжатия и разрежения) во всех точках этой плоскости полностью друг друга гасят. Очевидно, что КОК для такого поршня в этой области Ω = 3. Отмеченное выше явление огибания частицами среды колеблющегося поршня, трактуется в теории излучения как дифракция волны вокруг излучателя [1, 2], а на техническом языке получившее название акустического короткого замыкания, может быть устранено, если рассмотренный выше поршень поместить в бесконечный экран. Такой поршень излучает звук каждой стороной в ограниченное этим экраном полупространство (рис. 5.4,в). Выясним теперь некоторые общие закономерности, относящиеся к направленности излучения. К примеру, возьмем поршень в достаточно большом экране. На достаточном удалении от излучателя можно считать, что все элементарные волны распространяются параллельно. При этом на осевом направлении (θ =00) все эти волны можно считать синфазными, поэтому на оси излучателя амплитуда звукового давления максимальна. При произвольном направлении θ с осью излучателя (рис.5.5), результат сложения определяется разностью хода d = 2a sinθ элементарных волн. Тогда разность фаз Δφ волн от противоположных точек излучателя можно определить как ω 4πa Δφ kd 2asin θ sin θ . (5.8) v λ Рис. 5.5. К определению разности фаз излучения с разных участков Таким образом, по неосевым направлениям складывающиеся волны будут иметь различные фазы и в той или иной степени ослаблять друг друга, следовательно, звуковое давление будет меньше осевого, а при определенных соотношениях фаз практически отсутствовать. Однако при малых волновых размерах (кa <1) , разность фаз мала при любых θ, поэтому на НЧ амплитуда звукового давления практически одинакова по любым направлениям, следовательно R(θ)≈ 1 и Ω ≈1. На более высоких частотах, когда а и λ соизмеримы, разность фаз возрастает по мере увеличения угла θ. Излучение становится направленным и концентрируется вблизи акустической оси с ростом частоты. Практически это означает, что больший по размеру излучатель имеет на фиксированной частоте и более острую направленность, чем меньший. Акустическое оформление Чтобы устранить рассмотренное явление акустического «короткого замыкания» на низких частотах, т.е. исключить дифракцию излучаемой волны вокруг излучателя, стремятся изолировать противоположные стороны излучателя друг от друга. Простейший способ такой изоляции – помещение головки в плоский экран (рис. 5.6,а). Для того чтобы экран обеспечил эффек- тивное излучение, необходимо, чтобы кратчайшее расстояние между сторонами диффузора d = 2a было не меньше полуволны на нижней граничной частоте излучения, т.е. а > λ /4, или fн > v⁄4а. Таким образом, при радиусе экрана а = 1м, нижняя граница излучения будет не выше 85 Гц, что явно неприемлемо для практического использования. Поэтому применение плоские экраны нашли, в основном, только в акустических измерениях параметров головок. Рис. 5.6. Акустическое оформление громкоговорителя прямого излучения: а – плоский экран, б – открытый корпус, в – закрытый корпус, г – фазоинвертор, д – пассивный излучатель Для уменьшения поперечных размеров экрана без повышения при этом fн, прибегают к открытому оформлению (рис. 5.6,б), т.е. помещают головку в ящик без задней стенки, что можно трактовать как неплоский экран. По такому принципу делалось оформление первых бытовых акустических систем. Как уже отмечалось, диаграмма направленности осциллирующего поршня при ка <1 имеет форму «восьмерки». То же можно сказать о поршне в экране ограниченных размеров, с той разницей, что в этом случае за величину ка следует брать волновой размер экрана. При ка> 2 направленность такого поршня не сильно отличается от направленности односторонних излучателей (в пределах переднего полупространства), оставаясь однако симметричной относительно плоскости расположения излучателя. Наиболее простым и широко распространенным типом акустического оформления, устраняющим взаимодействие противоположных сторон головки, является закрытое оформление (рис. 5.6,в). Однако воздух в закрытом объеме обладает упругим сопротивлением, нагружающим внутреннюю сторону диафрагмы. Гибкость воздуха пропорциональна внутреннему объему ящика V, т.е. c V pa S , где γ = 1,42 - адиабатическая постоянная, pа= 105 Па – атмосферное давление, S – эффективная площадь диафрагмы. Как видно, повышение резонанса тем значительнее, чем меньше объем ящика. С повышением частоты, когда линейные размеры ящика становятся больше λ/2, внутри ящика образуются стоячие волны, воздействующие на заднюю поверхность диафрагмы, вызывая появление пиков и провалов на частотной характеристике звукового давления (ЧХЗД). Чтобы уменьшить влияние ин2 терференции волн внутри корпуса на ЧХЗД разработчики принимают ряд мер: 1. Стенки ящика делают не параллельными, т.е. применяют ящики в виде усеченной пирамиды, цилиндра, сферы и т.д. Наиболее благоприятной формой является сфера, однако далеко не всегда целесообразно применять оптимальные с этой точки зрения формы, т.к. приходится учитывать и конструктивно-технологические соображения; 2. Внутренние поверхности ящика (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом, а соотношение линейных размеров ящика выбирают так, чтобы стоячие волны между параллельными стенками не усугубляли интерференционные явления (например: 2:1, 4:1 или 5:4:3); 3. В многополосной акустической системе среднечастотную и высокочастотную головку зачастую отделяют дополнительными перегородками от основного объема ящика. Чтобы избежать возбуждения собственных механических колебаний стенок ящика, необходимо обеспечить их жесткость (особенно передней) и значительный коэффициент потерь. Наиболее подходящий для этого материал – доски, многослойная фанера, которая должна быть тем толще, чем мощнее ГГ и больше объем ящика. Так, например, для ящика объемом 50-60 литров толщина стенки должна быть не менее 20 мм, а для ящиков объема 5-10 литров достаточно 10-12 мм. Крепление стенок между собой также должно быть жестким (« в шпунт» и т.п.). В современных бытовых системах кроме дерева широко применяют пластмассу. Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение низких частот в ограниченном объеме оформления привело к появлению ящиковрезонаторов, или так называемых фазоинверторов. Этот вид акустического оформления реализуется в виде закрытого ящика с отверстием в передней стенке или отрезком открытой трубы, вставленной внутрь ящика (рис. 5.6, г),. Отверстие или труба выполняет роль горла резонатора, воздух в котором играет роль массы m2 и активного сопротивления r2. Колебания задней стороны диафрагмы через гибкость объема внутри ящика cв передаются на массу m2 , которая, таким образом, служит вторым излучателем. Таким образом, акустико-механическая система в целом становится состоящей из двух резонаторов – последовательного (подвижной системы ГГ) и параллельного (объема ящика с отверстием). Частота резонанса параллельного контура определяется соотношением ω p2 1 m2 cв . (5.9) На частотах ниже резонанса масса m2 совершает колебания, синфазные с задней стороной диафрагмы. При этом весь поток воздуха, вытесняемый задней стороной диафрагмы, без заметного сдвига фазы (т.к. 1/ωс велико по сравнению с ωm2) устремляется в горло резонатора. В результате излучение существенно ослабляется, т.к. фактически реализуется рассмотренный выше случай излучателя с открытым экраном конечных размеров или акустический диполь. При повышении частоты вынуждающей силы ω > ωp2 , колебания массы будут сдвинуты по фазе по отношению к колебаниям задней стороны диафрагмы почти на π и окажутся синфазными с колебаниями ее передней стороны, что приведет к усилению основного излучения, правда весьма незначительному (т.к. большая часть потока, вытесняемого задней стороной излучателя, при ωm2 > 1/ωcв будет оставаться внутри ящика). При дальнейшем увеличении частоты отверстие горла фактически «запирается», т.е. перестает излучать, и система начинает работать как закрытая. Наибольший эффект от ящика-резонатора достигается на частотах близких к ω = ωp2, когда диафрагма испытывает большое торможение из-за резонанса параллельного контура, а излучение звука осуществляется в основном за счет колебаний воздуха в горле фазоинвертора, достигающих на этих частотах максимальной амплитуды. Таким образом, применение фазоинвертора позволяет, во-первых, избежать повышения частоты механического резонанса подвижной системы из-за влияния упругости воздуха в ящике, как это имеет место в закрытом оформлении, во-вторых, форсировать излучение звука в области резонанса ящика. Частоту резонанса ящика обычно подбирают равной или чуть ниже резонанса головки, т.е. ωр2 ≤ ω11. Достигается это при заданных размерах ящика подбором длины lг и внутреннего поперечного сечения горла Sг. Однако увеличение длины трубки ограничено глубиной ящика, задняя стенка которого должна отстоять от трубки, по крайней мере, на ее радиус. Площадь горла нельзя делать существенно меньше площади диафрагмы S1, т.е. Sг/S1 ≥ 0,25. Это ограничение обусловлено двумя причинами. Во-первых, тем, что, сопротивление излучения горла не должно сильно отличаться от сопротивления излучения диафрагмы. Во-вторых, при малом сечении горла амплитуда и колебательная скорость потока воздуха в горле столь велики, что проявляется трение воздуха о стенки горла, создается турбулентность, что субъективно воспринимается как шорох или шелест, напоминающий шум ветра. Этих нежелательных явлений удается избежать при использовании вместо горла ящика, так называемого пассивного излучателя (рис. 5.6, д), роль вторичного излучателя в котором играет не воздух в горле, а подвижная система, схожая с системой ГГ, имеющая массу m2 и гибкость подвеса c2. Направленность громкоговорителя с фазоинвертором или пассивным излучателем в области частот ω> ωp2 не отличается от направленности закрытой системы, т.к. отверстие в этом диапазоне практически не излучает. Совместная работа примерно равных по производительности и противофазных излучателей наблюдается лишь на частотах ω ≤ ωp2 , где система представляет собой акустический диполь с осью излучения, лежащей в плоскости передней стенки и характеристикой направленности R(θ)=sinθ, где θ – угол относительно акустической оси головки. Практически нижнюю границу излучения ГГ в фазоинверторе не удается понизить более чем на октаву по сравнению с нижней границей ее излучения в закрытом оформлении равного объема. В то же время, оптимальная настройка фазоинвертора требует большего времени, более тщательного отбора головок (в частности, по резонансной частоте f11 в условиях массового производства разброс составляет не менее 20% от номинала), что при серийном производстве акустических систем довольно затруднительно. Среди других видов оформления в профессиональной акустике наибольшее распространение получили звуковые колонки; так называемые односторонне направленные системы; потолочные излучатели. Подробнее эти групповые излучатели, используемые в системах звукоусиления и озвучивания, будут рассмотрены нами в параграфе 5.6. Заслуживают упоминания также различные многорезонансные и лабиринтные акустические системы, используемые в основном в бытовых системах Hi-Fi и Hi-And. 5.4. Рупорные электродинамические громкоговорители Излучение звука через рупор, формы рупоров Основным недостатком громкоговорителей прямого излучения является очень низкая их эффективность. Так у мощных ГГ, используемых для озвучивания, КПД не превышает 1,5 - 2%, а у студийных агрегатов и бытовых систем – долей процента. Это объясняется малым отношением активной составляющей сопротивления излучения к полному механическому сопротивлению ГГ во всем диапазоне излучения. Стремление увеличить полезное нагрузочное сопротивление подвижной системы привело к созданию рупорных громкоговорителей (РГ), в которых функция преобразования механических колебаний в акустические и функция излучения последних в окружающую среду разделены между диафрагмой и выходным отверстием рупора (устьем), в то время как в ГГ прямого излучения обе эти функции выполняет диафрагма. Рупором называют трубу, сечение которой монотонно возрастает с расстоянием по оси х (рис. 5.7). Если источник звука с акустической мощностью Wа поместить в узкую часть (горло) рупора (х=0), площадь входного отверстия которого S0 равна площади излучателя, то его акустическая нагрузка достигнет наибольшей величины ρvS0 (т.е. как в плоской волне) в том случае, если не будет отражения от выходного отверстия рупора, (т.е. теоретически в бесконечно длинном рупоре). Практически, для обеспечения беспрепятственного перехода звуковой волны в окружающее пространство, необходимо иметь такой размер площади устья S1 чтобы сопротивление его излучения стало близким к таковому в плоской волне, т.е. r ≈ ρvS1 . Это достигается на частотах, где к а >1 (где а –эквивалентный радиус устья), т.е. для диаметра устья должно выполняться соотношение D> λн/π (λн –длина волны на нижней граничной частоте излучения). Рис. 5.7. Формы рупоров: а – конического, б – экспоненциального Для повышения эффективности излучения, следует стремиться к повышению звукового давления p(x) в выходном отверстии рупора, а для лучшего согласования сопротивлений излучения горла и устья S(x) должно возрастать достаточно плавно. Однако если сечение рупора будет возрастать медленно, то для обеспечения требуемых размеров устья, рупор придется делать очень длинным, что неудобно. С этой точки зрения, оптимальной формой рупора является такая, когда его сечение увеличивается в одинаковое количество раз на каждую единицу длины согласно закону S(x)= S0 eβx . (5.10) Величину β называют показателем расширения рупора, определяющим относительное возрастание сечения рупора на единицу его длины. Такие рупоры получили название экспоненциальных. Отметим, что β представляет собой величину, от которой зависят не только частотные свойства рупора, но и его размеры. Изложенные здесь соображения справедливы лишь для бесконечных рупоров. В рупоре конечной длины кроме прямой существует и отраженная от выходного отверстия волна, возникающая вследствие скачкообразного изменения свойств среды. Поэтому внутри рупора возникают стоячие волны, в связи с чем в частотных характеристиках появляются чередующиеся максимумы и минимумы, что придает звучанию рупорного громкоговорителя неестественную тембральную окраску. Кроме экспоненциального имеется еще много различных типов рупоров [1,2]. Самый простой из них – конический рупор (рис. рис. 5.7), который применялся для увеличения громкости (осевой концентрации) звука задолго до появления первых электроакустических аппаратов, например в морском деле. Эффективность конического рупора на низких частотах весьма мала. Устройство и основные характеристики Применяемые в настоящее время головки в рупорных громкоговорителях (РГ) в подавляющем большинстве – катушечные электродинамические. По конструкции различают два типа РГ. В первом типе рупором нагружают обычную диффузорную головку, рассмотренную нами в разд. 5.3. При этом рупор имеет входное отверстие достаточно большой площади S0 , не сильно отличающейся от площади диффузора Sд, (рис. 5.8.,а), поэтому такие РГ называют широкогорлыми. Эффективность излучения широкогорлого РГ на относительно низких частотах сильно зависит от n=Sд /S0 – коэффициента трансформации, обусловленный разницей площадей диафрагмы и горла. Эффективность излучения такого РГ с повышением частоты падает, однако, благодаря большим размерам выходного отверстия рупора SL , одновременно с этим обостряется направленность, т.е. увеличивается КОК, в связи с чем осевое давление остается практически постоянным. Рис. 5.8. Типы рупорных громкоговорителей: а – широкогорлый, б – нормальный (узкогорлый) Другой тип рупорного громкоговорителя ( рис. 5.8.,б) состоит из рупора с малой площадью входного отверстия S0 и специальной рупорной головки с легкой куполообразной диафрагмой сравнительно небольшой площади Sд , однако значительно превышающей S0. Такой тип получил название нормального или узкогорлого РГ. Малый щелевидный воздушный объем (шириной δ) между диафрагмой и горлом рупора образует предрупорную камеру, представляющую собой акустический трансформатор с входной площадью Sд и выходной S0 и коэффициентом трансформации n =Sд /S0 , что существенно увеличивает полезное сопротивление рупора zn , нагружающее диафрагму, т.е. zn= n2zвх. Диафрагма изготовляется, как правило, совместно с гофрированным подвесом прессовкой фольги из легкого металла (алюминия, титана) или из полимерного материала. В пределах рабочего диапазона излучения, величина КПД и осевого давления (а значит и характеристической чувствительности) сохраняется достаточно постоянной (практически, в пределах 1015 дБ). Однако область эффективного излучения РГ редко бывает шире, чем 3 - 4 октавы. Поэтому нормальные РГ применяют обычно или для воспроизведения средних частот (от 300-500Гц до 3000-5000Гц) в системах речевого озвучивания, командно- диспетчерской связи, оповещения, или в качестве высокочастотного громкоговорителя в кинотеатральных и концертных системах. Направленность излучения рупора во внешнюю среду зависит от размеров его выходного отверстия. Излучение становится эффективным, когда отражением звуковой волны внутрь рупора можно пренебречь, т.е. на частотах, где диаметр выходного отверстия сопоставим с длиной волны (πD/λ >1). Выполнение этого условия определяет достаточно высокую направленность РГ даже в области относительно низких частот, а с повышением частоты направленность обостряется за счет концентрирующих свойств выходной части рупора. Поэтому в частотной характеристике звукового давления вне оси излучения на высоких частотах наблюдается заметный спад, что отрицательно сказывается на разборчивости речи, если слушатель находится не непосредственно перед РГ. Экспоненциальный рупор может иметь как круглое, так и прямоугольное сечение. Рупор с сечением в виде прямоугольника обладает различными характеристиками направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости. Так в плоскости параллельной длинной стороне сечения, ХН будет более острой, чем в плоскости параллельной короткой стороне (объяснение этого явления см. в параграфе 5.3). На рис. 5.9 показан внешний вид рупорных громкоговорителей фирмы Philips. Рис. 5.9 Внешний вид рупорных громкоговорителей фирмы Philips с круглым и прямоугольным выходным отверстием Для более равномерного распределения излучения ВЧ по площади, охватываемой РГ, принимают меры по расширению ХН в горизонтальной плоскости, такие как секционирование выходной части рупора, применение рупора «цилиндрической волны», а также акустической линзы. Подробнее с действием этих устройств можно познакомиться в литературе [1,2]. 5.5. Нелинейные искажения в электродинамических громкоговорителях Громкоговоритель является одним из основных источников нелинейных искажений (НИ) в любом звуковом тракте, поэтому целесообразно подробнее остановиться на причинах их возникновения. Практически все звуковые устройства являются линеаризованными системами, т.е. в определенных пределах характеризуются приближенно линейными соотношениями входных и выходных величин. Превышение некоторых пределов величин входных сигналов ведет к появлению нелинейных искажений, субъективно воспринимаемых как различные неприятные призвуки – «хриплость», «звон», «клокотание» и т.п. Объективно НИ выражаются в появлении в выходном сигнале таких спектральных составляющих, которых не было во входном сигнале. Обнаруживаются эти составляющие, как правило, методом гармоник [1, 2, 9] при подаче на вход устройства синусоидального сигнала. В ряде случаев нелинейность устройства не проявляется в виде появления на выходе гармоник основного тона, тогда НИ оценивают на основе интермодуляционных искажений (см. параграф 5.1). Основными причинами нелинейных искажений в ГГ прямого излучения являются: - нелинейность подвеса диафрагмы; - неоднородность магнитного поля в районе воздушного зазора; - изменение индуктивности катушки при ее колебаниях; - механический контакт подвижной системы с неподвижными элементами; - возбуждение параметрических искажений в диффузоре; - дефекты диафрагмы и гибких выводов; - эффект Доплера. Нелинейность подвеса определяется, в основном, нелинейностью упругости гофра, т.к. упругость центрирующей шайбы обычно в несколько раз меньше упругости гофра. При больших амплитудах смещения диффузора в области частоты основного резонанса ω11 упругие силы возрастают быстрее, чем смещение ξ1. Так что деформация подвеса уже не следует линейному закону Гука F = s1 ξ1 , а выражается соотношением вида F = s1ξ + s2ξ2 + s3ξ3 +..., где s1=1/c1 –коэффициент упругости подвеса, s2 , s3 - коэффициенты, определяющие искажения второго (несимметричные) и третьего порядка (симметричные). Симметричные искажения являются, в основном, следствием проявления физико-механических свойств материала гофра. Несимметричные искажения, зависящие от направления смещения (т.е. изменяется величина s1 с направлением) определяются главным образом профилем гофра. Влияние последнего фактора удается снизить применением синусоидальных гофров с изменяющейся длиной волны и глубиной. Искажения, связанные с неоднородностью магнитного поля обусловлены тем, что коэффициент электромеханической связи Bl определяется средним значением индукции В на отрезке, занимаемом катушкой. Однако магнитная индукция даже в пределах зазора распределяется неравномерно, а вне зазора резко уменьшается, причем внутри магнитной цепи менее круто, чем снаружи. При больших амплитудах смещения звуковой катушки будет изменяться и пронизывающий ее суммарный магнитный поток. Поэтому сила F будет зависеть не только от тока, но и от смещения катушки в данный момент времени, т.е. вместо линейной зависимости F =Bli, зависимость силы от тока ста- новится нелинейной, что особенно заметно проявляется, когда высота катушки hк и зазора hз будут примерно одинаковы (рис. 5.10). Рис. 5.10. Распределение магнитной индукции вдоль зазора магнитной цепи Другим фактором появления интермодуляционных искажений является изменение индуктивности звуковой катушки Lк при больших низкочастотных смещениях, когда происходит периодическое изменение длины ее железного сердечника. Эти изменения наиболее сильно сказываются на электрическом импедансе катушки на высоких частотах, где велика доля индуктивной составляющей ωвLk . Следствием этого также является амплитудная модуляция высокочастотного колебания низкочастотным, а значит и появление в выходном спектре комбинационных частот. Для минимизации влияния этих факторов применяют ряд конструктивных мер, иллюстрируемых рис. 5.11. Рис. 5.11. Различные способы сосредоточения в зазоре и симметрирования магнитного потока: а, б, в, г – изменением конфигурации и размеров керна; д – применением вкладышей; где 1 – постоянный магнит, 2 – передний фланец, 3 – керн, 4 – катушка, 5 и 6 – вкладыши из кремнистой стали кремнистой стали К нелинейным искажениям ГГ приводят и различного рода недоработки, приводящие к касанию катушкой неподвижных частей магнитной цепи (керна, верхнего фланца), а также плохая центровка подвижной системы, дефекты изготовления диафрагмы (вмятины, утолщения, случайные неоднородности материала), удары гибких выводов о диффузор. Эти дефекты субъективно воспринимаются, как призвук или дребезг и обусловлены обычно неудачной конструкцией, несоблюдением технологии или плохим качеством исходных материалов. Особым видом нелинейных искажений, характерных для диффузорных ГГ, являются параметрические искажения (или автопараметрический резонанс). Возбуждаются эти искажения обычно на средних частотах (1000-2000 Гц) в результате потери устойчивости формы диффузора при подведении к ГГ электрической мощности, превышающей некоторое пороговое значение. Рис. 5.12. иллюстрирует механизм образования этого вида искажений в коническом диффузоре с прямолинейной образующей. Когда частота внешней возбуждающей силы F вдвое превышает частоту собственных колебаний поверхности конуса, то ее продольная составляющая F2 вызывает в цикле сжатия изгиб диффузора попеременно то в одну, то в другую сторону, в результате чего помимо основного смещения ξ1 с частотой возбуждения f1 появляется дополнительное смещение ξс с частотой f1/2 , т.е. система возбуждается на субгармонике внешней силы. Для устранения параметрических (или, субгармонических) искажений образующей диффузора мощных громкоговорителей придается криволинейная форма, предопределяющая направление изгиба. Рис. 5.12. Механизм образования параметрических искажений в конических диффузорах с прямолинейной образующей Еще одной причиной интермодуляционных искажений (наряду с неоднородностью магнитного поля в зазоре и изменением индуктивности катушки) является эффект Доплера, проявляющийся при излучении звука телом, двигающемся с большой скоростью. Диафрагма, двигаясь со скоростью ξн и частотой ωн, одновременно совершает колебания с частотой ωв. При этом происходит периодическое (с частотой ωн) изменение частоты излучаемого высокочастотного колебания, т.е. имеет место частотная модуляция. В нормальном рупорном громкоговорителе нелинейные искажения определяются иными причинами. Дело в том, что амплитуда колебаний диафрагмы РГ, во-первых, вообще существенно меньше, чем в ГГ прямого излучения, во-вторых, существенно меньше зависит от частоты. Поэтому нелинейные искажения, связанные с нелинейностью упругости подвеса, неоднородностью магнитного поля и другие, рассмотренные выше, не являются здесь столь существенными. Определяющими величину НИ факторами в РГ являются большая амплитуда сжатия-разряжения воздуха при распространении звука в узкой части рупора, а также нелинейность упругости воздуха в предрупорной камере. Дело в том, что фазовая скорость звуковой волны vo зависит от полного давления в среде и, при наличии больших звуковых давлений, оказывается различной для различных участков волны, т.е. участки сжатия перемещаются быстрее, чем участки разряжения. Это значит, что синусоидальная волна, возбуждаемая диафрагмой, по мере распространения в рупоре превращается в почти пилообразную. В свою очередь, это означает появление несимметричных гармонических искажений в излученном сигнале, наиболее значительных по второй гармонике. Для того чтобы эти искажения не выходили за допустимые пределы, звуковое давление в горле рупора не должно превышать 2000 Па (т.е. 2% от атмосферного давления). Этот же фактор может послужить причиной появления значительных интермодуляционных искажений, когда большой по амплитуде низкочастотный звуковой сигнал производит амплитудную модуляцию излучаемого с ним одновременно высокочастотного сигнала. Нелинейность, вносимая предрупорной камерой, проявляется также в появлении интермодуляционных искажений, что можно объяснить (см. рис. 5.8., б) тем, что изменение объема вызывает периодические изменения гибкости воздуха в камере с частотой ωн . Это означает, что высокочастотные колебания уже на входе рупора будут модулированы по амплитуде низкочастотными компонентами, что, в свою очередь, означает появление комбинационных составляющих с частотами ωв ± к ωн. 5.6. Широкополосные головки, многополосные системы При анализе работы громкоговорителей в предыдущих параграфах неоднократно отмечались трудности связанные со стремлением расширить эффективное излучение одной головки одновременно в сторону низких и высоких частот. Противоречивость такого стремления становится тем очевиднее, чем большую отдачу (КПД и осевое давление) мы хотим получить от громкоговорителя. Так для эффективного излучения низких частот ГГ прямого излучения требуется большая поверхность излучения S1 и значительная масса подвижной системы m1 (при большой гибкости). Для эффективного излучения высоких частот, наоборот, нужны небольшие размеры излучателя (для сохранения определенной частотной зависимости сопротивления излучения, поршневого режима и широты характеристики направленности), а также соответствующее уменьшение массы системы. Для расширения полосы излучения в высокочастотную область существует ряд способов. Первый – двухконусная головка (рис. 5.13, а), диафрагма которой состоит из двух конусов – большого и малого. На низких и средних частотах оба конуса колеблются как единое целое, а начиная с определенной частоты (примерно 3-5 кГц), функция излучения переходит к малому конусу, легкому и жесткому вследствие малого угла раскрытия. На высоких частотах большой конус становится практически неподвижным и играет роль рефлектора. Второй способ – применение диафрагмы с концентрическими складками (рис. 5.13, б). Этот способ отличается от первого тем, что с повышением частоты кольца конуса последовательно перестают колебаться, сначала внешние, затем внутренние, на высоких частотах колеблется только центральная часть диафрагмы, непосредственно связанная с катушкой. Это обеспечивает последовательное продление поршневого режима излучения в сторону ВЧ и большее постоянство ХН по частоте. Третий способ – двойной катушки (рис. 5.13, в), заключается в разделении через гибкие складки на каркасе самой звуковой катушки, большая часть которой (3) на высоких частотах становится неподвижной, а в колебаниях участвует лишь незначительная масса дополнительной катушки (5). Этот способ может быть применен и совместно с одним из рассмотренных выше. Рис. 5.13. Способы реализации широкополосных головок: а – двухконусная головка; б – диффузор с концентрическими складками; г – двойная катушка; здесь 1 и 2 – дополнительный и основной конус; 3 – звуковая катушка; 4 - гибкие складки; 5 – дополнительная (вторая) катушка В рупорных громкоговорителях ограничивающим фактором на НЧ является, в основном, критическая частота, а следовательно, и размеры рупора. На ВЧ – противоречивость требований к элементам конструкции предрупорной камеры; так для воспроизведения ВЧ требуется малая высота δ и поперечные размеры, а для НЧ, где характерны большие амплитуды смещения, требуется и большая высота камеры. К тому же, в широкополосных головках, как рупорных, так и прямого излучения, неизбежно появление значительных интермодуляционных искажений. Эти противоречия практически решаются путем создания многополосных акустических систем (АС), как они именуются в бытовом варианте, или акустических агрегатов (мониторов), как их принято называть в профессиональной технике. В настоящее время наибольшее распространение получили двух- и трехполосные АС. Пример реализации такого излучателя в трехполосном варианте приведен на рис. 5.14. Каждое звено АС наилучшим образом приспособлено для воспроизведения только части звукового диапазона. В некоторых моделях одну и ту же область частот могут воспроизводить 2-3 однотипные головки. Для того, чтобы каждая ГГ получала напряжение только тех частот, которые она должна воспроизводить, включение головок осуществляется через разделительные фильтры, рассчитанные на определенную частоту разделения, за пределами которой обеспечивается нужная крутизна затухания. Фильтр первого порядка, содержащий всего один реактивный элемент, обес- печивает затухание с крутизной 6 дБ/окт., второго (два элемента)- 12дБ/окт. и т. д. Обычно разделительные фильтры рассчитывают исходя из номинального входного электрического сопротивления ГГ. Реально же в многополосных системах применяют ГГ с различной частотной характеристикой входного импеданса, характеристической чувствительностью и даже номинальными сопротивлениями. Рис. 5.14. Устройство трехполосного группового излучателя: 1 и 2 – низкочастотный и высокочастотный фильтры, 3 – ВЧ головка, 4 – СЧ головка, 5 – НЧ головка, 6 – перегородка, 7 – звукопоглощающий материал Важным этапом при разработке АС является обоснованный выбор частот разделения, зависящий как от параметров головок, так и от свойств слуха. Вначале выбирают НЧ головку, т.к. она определяет уровень характеристической чувствительности и объем АС в целом. Затем выбирают СЧ головку, руководствуясь, в основном, ее частотной характеристикой и энергетическими возможностями (т.е. может ли она без перегрузок работать с выбранной НЧ головкой). Из тех же соображений выбирают ВЧ головку. Поскольку желательно, чтобы головки в полосе воспроизводимых ими частот имели малую неравномерность ЧХЗД, частота основного резонанса СЧ и ВЧ головок должна быть примерно на октаву ниже, чем соответствующая частота разделения фильтра. Частоты разделения на поддиапазоны варьируются в достаточно широких пределах, однако, с точки зрения слухового восприятия желательно, чтобы первая частота разделения трехполосной АС (НЧ-СЧ) лежала в не выше 400-500 Гц, а вторая (СЧ-ВЧ) не ниже 4000 Гц. Это объясняется большой чувствительностью уха к любым искажениям в полосе частот 500 - 4000 Гц [1, 2], не только к амплитудно-частотным, но и к фазо-частотным и к переходным, неизбежно возрастающим в области частот разделения. Поскольку разделение сигнала происходит и по мощности, то это обстоятельство также необходимо учитывать при выборе головок, используя таблицу или кривую усредненного распределения мощности вещательного сигнала [6]. Так, например, при выборе первой разделительной частоты 400 Гц, половина мощности сигнала приходится на НЧ головку, а половина на СЧ и ВЧ головки; при выборе частоты разделения между ними 5000 Гц, на ВЧ головку будет приходиться всего 2,5% мощности суммарного сигнала, а на СЧ – остальные 47,5%. При различном уровне характеристической чувствительности у головок, их выравнивают с помощью резистивного делителя напряжения, однако при этом неизбежно понижается чувствительность АС в целом. В бытовых АС (Hi-Fi, Hi-And и др.) в качестве НЧ и СЧ головок обычно используют диффузорные головки прямого излучения, а в качестве ВЧ – куполообразные (прямого излучения или рупорные). В концертнотеатральных мониторах, где требуется большое звуковое давление, рупорные головки часто используют также и в СЧ, реже – в НЧ звеньях. Среднечастотную головку часто помещают в автономный закрытый корпус, размещаемый внутри основного. Стенки этого бокса (а при его отсутствии и основного) для уменьшения влияния стоячих волн внутри корпуса на ЧХЗД системы, частично покрывают звукопоглощающим материалом. Требования к конструкции корпуса уже обсуждались нами в параграфе 5.3., поэтому здесь на этом не будем более останавливаться. В целом, многополосные АС, по сравнению с широкополосными одноголовочными системами, обладают рядом достоинств: - уменьшаются пики и провалы в ЧХЗД, которая становится более гладкой; - уменьшаются интермодуляционные и доплеровские искажения, т. к. сильно отличающиеся по частоте сигналы подаются на разные головки; - ХН становится более постоянной в широком диапазоне частот. Однако АС не свободны и от недостатков, таких как появление в узких полосах вблизи частот разделения слышимых искажений, возрастающих при применении фильтров большего порядка [1, 6]; нестабильность ХН в этих полосах, особенно нежелательная в горизонтальной плоскости (с этим борются, размещая головки в АС в одну линию по вертикали, возможно ближе друг к другу). В настоящее время в профессиональной технике получили распространение «активные мониторы», в которых кроме пассивных разделительных фильтров размещаются и усилители мощности. Такие системы применяются в малых залах многоцелевого назначения, а также на выездных концертах и гастролях малых музыкальных групп и ансамблей. В последнее время все большее развитие получили методы, основанные на синтезе сложных электрических цепей, компенсирующих наиболее существенные амплитудные, фазовые и нелинейные искажения ГГ, путем создания «зеркальных» предыскажений. Однако окончательное решение о качестве АС могут дать только результаты субъективной экспертизы звучания, которые пока нельзя заменить объективными параметрами измерений. 5.7. Звуковые колонки, линейные массивы Распространенным типом групповых излучателей является звуковая колонка (ЗК). Так называют громкоговоритель, состоящий из группы вертикально расположенных идентичных головок, имеющих общее акустическое оформление (рис. 5.15). Акустическое оформление ЗК может быть выполнено как в виде закрытого ящика, так и в виде фазоинвертора. Такая группа в теории излучения и приема звука получила название линейной групповой антенны. Достаточно часто при этом встречается также и название линейный групповой излучатель. Звуковые колонки обладают рядом достоинств, которые позволяют их успешно использовать для озвучивания больших помещений и открытых пространств, например стадионов, бассейнов, галерей и т.д. Основными достоинствами ЗК являются: - благоприятная характеристика направленности, острая в вертикальной плоскости и широкая в горизонтальной; - большая эффективность излучения головок в линейной группе, по сравнению с суммарным излучением одиночных головок, особенно в низкочастотном диапазоне. На характеристиках ЗК в большой степени сказывается идентичность составляющих ее головок. Поэтому отбор головок по таким параметрам, как частота основного резонанса, добротность, уровень характеристической чувствительности должен быть очень тщательным, обязательно должна быть проверена также фазировка головок в ЗК, они должны быть включены синфазно. В горизонтальной плоскости ХН колонки не отличается от направленности отдельно взятой головки. В вертикальной плоскости ХН существенно обостряется за счет интерференции сигналов от отдельных головок, из которых она состоит. Физическая сущность эффекта обострения ХН была рассмотрена нами в параграф 5.3 (см. рис. 5.5). В осевом направлении на достаточном удалении от ЗК сигналы от всех головок идентичны и синфазны, следовательно, звуковое давление на оси является арифметической суммой мгновенных значений давлений от n одиночных источников: pΣ (0) =p1 + p2 +…+ pn = np1 . (5.11) В случае отдельно излучающих источников, сигналы не синфазны, и складываются, как известно, энергетически, т.е. суммируются их интенсивности, тогда JΣ =J1 +J2 +…+Jn = nJ1 = np1² / ρv . (5.13) Сравнив (5.12) и (5.13), можем сделать вывод, что эффективность осевого излучения ЗК по мощности (интенсивности) в n раз выше, чем суммарное излучение такого же количества единичных идентичных головок. Рис. 5.15. Устройство звуковой колонки: 1 – головки, 2 – корпус, 3 – понижающий трансформатор (в «активной» колонке заменяется усилителем мощности) Для ХН линейной группы (ЗК по вертикали) справедлива [1, 2] формула: nk d sin sin θ 2 R θ R1 θ , (5.14) kd n sin sin θ 2 где R1(θ)- характеристика направленности отдельной головки. Из (5.14) следует, что при увеличении вертикальных размеров колонки l ≈ nd, а также с ростом частоты, ее направленность обостряется, а при l =λ становится одно лепестковой (т.е. R(θ=900)= 0). При дальнейшем росте частоты, когда d приближается к λ, появляются боковые лепестки ХН, величина которых может стать равной осевому значению, (т.к. сигналы от расположенных рядом головок при θ =90º оказываются в фазе, т.е. арифметически складываются). Поскольку такое явление весьма нежелательно, то предпринимают определенные меры: - головки в колонке располагают как можно ближе друг к другу, насколько это возможно конструктивно (обычно d ≈ 3a , где а – радиус головки); - используют колонку в качестве НЧ-СЧ звена двухполосной системы, а в качестве ВЧ звена – 1-2 рупорных головки, которые располагают обычно на верхнем торце колонки; при этом частоту разделения fр подбирают так, чтобы на этой частоте заведомо выполнялось соотношение d < λр. На низких частотах головки в ЗК находятся на расстояниях существенно меньших длины звуковой волны (d <λ/4), поэтому сопротивление излучения ЗК увеличивается пропорционально квадрату общей площади излучающей поверхности. Вследствие этого низкие частоты колонкой воспроизводятся существенно лучше, чем отдельно взятыми головками в равновеликом оформлении. В сравнении с отдельной головкой ЧХЗД колонки имеют большую равномерность и более гладкий характер, т.к. происходит усреднение индивидуальных ЧХЗД головок, все же имеющих в непоршневом диапазоне (СЧ и ВЧ) существенный разброс. Для расширения ХН в горизонтальной плоскости (ширины озвучиваемой поверхности), в некоторых типах ЗК головки располагают в два столбца с развертыванием их осей по горизонтали приблизительно на 60˚. Для обострения направленности в вертикальной плоскости ЗК иногда ставят одну на другую, увеличивая этим КОК приблизительно в 2 раза. В тех редких случаях, когда требуется сузить ХН в горизонтальной и одновременно расширить в вертикальной плоскости, ЗК можно положить на бок. Такое использование линейной групповой антенны, достаточно редкое в электроакустике, широко применяется в гидроакустике, где групповая антенна формируется практически вдоль всего борта подлодки или корабля. Для формирования узкой ХН одновременно в обеих плоскостях, можно составить «антенную решетку», поставив вплотную друг к другу несколько однотипных, сфазированных между собой ЗК. Однако необходимость формирования такой ХН в электроакустике является еще более спорной, чем предыдущий случай. Внешний вид звуковой колонки приведен на рис. 5.16 Рис. 5.16. Внешний вид звуковой колонки фирмы Philips в уличном исполнении Звуковые колонки получили достаточно широкое распространение в системах звукоусиления и озвучивания (кинотеатры) уже в 40 - 50-е годы прошлого века [2]. В настоящее время за рубежом ЗК получили свое второе рождение в виде так называемых «линейных массивов», публикациями о которых пестрят популярные технические издания. Линейный массив, изображенный на рис. 5.17, представляет собой групповой излучатель большой протяженности (l=15 –20 метров) и мощности в десятки киловатт, составленный (в отличие от ЗК) для удобства монтажа из отдельных блоков («кабинетов»). Поскольку при таких размерах КОК весьма велик, а ХН в вертикальной плоскости очень обострена даже на достаточно низких частотах, то вблизи излучателя появляется «мертвая звуковая зона». Для расширения вертикальной ХН в нижней части зоны озвучивания таким массивам часто придают «J – образную» форму. Кроме того, принимают различные меры по сближению излучающих отверстий рядом расположенных излучателей, применяя конструкции типа широкогорлого рупора, акустической линзы [1] и другие. Рис. 5.17. Линейный массив RCF , состоящий из отдельных широкополосных блоков («кабинетов») Обычно отдельные блоки массивов делают «активными», т.е. каждый со своим усилителем мощности, встроенным в корпус. Кроме этого часто производится электронное управление входным сигналом с помощью центрального процессора, что позволяет задерживать производить временную задержку, а также изменять величину сигналов, поступающих на отдельные блоки, что, в свою очередь, позволяет управлять характеристикой направленности массива в целом. Производителями (RCF, EV, JBL и другие) утверждается, что линейные массивы создают цилиндрическую волну, благодаря чему звуковое давление убывает с удвоением расстояния от источника не в два раза, как у обычных АС (т.е. на 6дБ по уровню), а всего на 3дБ. Однако такое утверждение может быть справедливо либо в ближней зоне излучения (т.е. когда расстояние до точки приема соизмеримо с размерами са- мого массива), либо когда вертикальный размер колонки или массива соизмерим с высотой закрытого помещения, а колонка (массив) расположена в углу этого помещения (например, портальные колонки по бокам сцены). В этом случае ограничение пространства по вертикали позволяет сформировать в определенном диапазоне частот волновой фронт, близкий к цилиндрическому, если не принимать во внимание отражения от дальних стенок помещения. Когда требуется уменьшить излучение звука в заднее полупространство, а также снизить интенсивность отражений от боковых стен помещения, применяют однонаправленные («кардиоидные») ЗК. Их устройство представляет собой фазоинвертор (см. разд.5.3) с отверстиями на задней стенке или в задней части боковых стенок, закрытыми тканью или пористым материалом. Акустическое сопротивление этих отверстий r2 подбирают таким образом, чтобы время запаздывания тылового излучения диафрагмы τrc=r2c3 на НЧ совпадало с временем огибания τd =d/v фронтальной волной корпуса колонки в направлении заднего полупространства. При условии τd =τrc эти давления приходят в заднее полупространство в противофазе и взаимно компенсируют друг друга. Таким образом, ЗК приобретает в горизонтальной плоскости ХН «кардиоида», подобно тому, как этого добиваются в микрофонах несимметричных приемниках разности давлений (см. главу 2). Впервые такие ЗК были созданы в нашей стране во ВНИИРПА им. А.С. Попова в 80-х годах прошлого столетия. Принципиальным недостатком однонаправленных излучателей является спад ЧХЗД в области низких частот с крутизной около 6дБ/окт (что отчасти может быть скомпенсировано в колонке или массиве, состоящих из большего количества излучателей). При небольших размерах таких колонок их целесообразно использовать в речевых системах звукоусиления (СЗУ) и оповещения, особенно в помещениях с повышенной гулкостью, где они позволяют улучшить разборчивость речи и повысить устойчивость системы к самовозбуждению. Так как ЗК часто используют для озвучивания больших помещений и пространств, то в корпус «пассивной» колонки, как правило, встраивают понижающий трансформатор. В усилителях мощности, нагружающих такие колонки, при этом должен быть выходной повышающий трансформатор. Это позволяет при передаче сигнала по проводам достаточно длинной звуковой линии между усилителем и колонками, во-первых, избежать больших потерь электрической мощности, во-вторых, повысить входное электрическое сопротивление колонки Rзк, так чтобы оно превышало сопротивление линии Rл, т.е. Rзк = N2 Rгг > Rл (где Rгг – совокупное электрическое сопротивление головок в ЗК, зависящее от схемы их соединения, N – коэффициент трансформации). Повышающий (по напряжению) трансформатор усилителя уменьшает ток, а следовательно и потери мощности Wп =I2 Rл в линии, понижающий в ЗК – производит обратное действие, увеличивая ток, подводимый к головкам в ЗК. Отечественные трансформаторы обычно рассчитываются на напряжения 30, 60, 120 и 240 вольт в линии, в зависимости от ее предполагаемой длины. Наряду с колонками в системах озвучивания залов нашли применение радиальные громкоговорители, состоящие из нескольких однотипных диффузорных ГГ (обычно 4-6 штук), расположенных по окружности в общем корпусе под углом друг к другу. Оси всех ГГ наклонены вниз под углом 45-60 градусов. Радиальные громкоговорители (потолочные системы) обычно подвешивают к потолку помещения с целью получить ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости с зоной озвучивания пола радиусом 15-20 метров. Звуковые люстры, по назначению сходны с радиальными громкоговорителями, но состоят обычно из 4-6 небольших звуковых колонок, расположенных по окружности с наклоном осей около 45˚. В люстре ЗК применяют для увеличения звукового давления в зоне озвучивания и уменьшения отражений от потолка. 5.8. Нетрадиционные излучатели звука Нетрадиционные электродинамические излучатели Как уже отмечалось, наибольшее распространение в настоящее время получили катушечные электродинамические ГГ. Кроме уже рассмотренных конических и куполообразных головок (применяемых, в основном, в качестве ВЧ прямого излучения и рупорных), сюда относятся и ГГ с плоской «сотовой» диафрагмой (рис. 5.18, а). Диафрагма таких головок состоит из параллельно расположенных листов алюминиевой фольги, соединенных между собой поставленными на ребро и изогнутыми в виде пчелиных сотов полосками из такой же фольги. Такая диафрагма представляет собой жесткий и легкий диск, соединенный со звуковой катушкой с помощью легкого алюминиевого усеченного конуса. Плоская диафрагма позволяет расширить область поршневого излучения на 2-2,5 октавы по сравнению с равновеликим бумажным диффузором, однако она обладает и несколько большей массой. Поэтому уровень характеристической чувствительности сотовой головки обычно на 3-6дБ ниже. Ленточные головки выпускаются рядом зарубежных фирм для использования в качестве СЧ-ВЧ звена. Конструкция ленточного преобразователя была рассмотрена в главе 2. Основным достоинством ленточных ГГ (как и микрофонов) являются малые переходные искажения, что субъективно воспринимается как «прозрачность» звучания. Однако они обладают и присущими ленточным преобразователям недостатками, т.е. малым коэффициентом электромеханической связи Bl, большой массой магнитной цепи и трансформаторов. В силу этого ленточные ГГ не получили широкого распространения. Изодинамические (магнепланарные) головки имеют в качестве излучающего элемента тонкую полимерную мембрану, на которую методом напыления наносится плоский проводник в форме прямоугольного меандра или спирали (ортодинамические) с чередующимся направлением тока (рис. 5.18, б). Основным достоинством этого излучателя является практически равномерное распределение действующей силы по достаточно большой излучающей поверхности, что обеспечивает синфазность колебаний всех ее участков. Кроме СЧ и ВЧ головок изодинамические преобразователи нашли достаточно широкое применение в широкополосных головных телефонах. Рис. 5.18. Устройство некоторых нетрадиционных электродинамических излучателей: а – сотовая диафрагма, б – магнитная система изодинамической головки, где 1 – постоянные магниты, 2 – перемычки из магнитомягкого материала, 3 – магнитные силовые линии; в – подвижная система излучателя – трансформатора Еще один вид электродинамических излучателей, который иногда относят к изодинамическим, это так называемый излучатель-трансформатор Хейла (рис. 5.18, в). Его диафрагма выполнена из тонкой полимерной пленки с нанесенной на ее поверхность токопроводящей шиной. Диафрагму гофрируют и располагают таким образом, чтобы ток проходил по одной стороне складки в одном направлении, а по другой стороне складки в противоположном. Поскольку складка располагается между разными полюсами магнита, то возникающая переменная электродвижущая сила заставляет складки стягиваться и разжиматься, как меха аккордеона. Из пространства между складками выталкивается и втягивается воздушный поток, т.е. происходит излучение звука. При этом за счет изменения площади происходит трансформация звукового давления, т.е. увеличивается КПД. Такие головки применяют, как и изодинамические, в качестве средне- и высокочастотных. Из-за громоздкой и массивной магнитной системы головки Хейла, как и ленточные, не получили широкого распространения. До середины прошлого столетия широкое распространение имели электромагнитные головки, построенные на основе электромагнитного преобразователя, рассмотренного в главе 2. В настоящее время такие головки повсеместно вытеснены электродинамическими, а электромагнитные преобразователи применяются исключительно в устройствах связи и слуховых аппаратах в основном, в качестве телефонов. Излучатели с электрическим полем Электростатический излучатель – наиболее распространенный тип нединамических излучателей звука, используемый в ГГ и головных телефонах. Обычно он представляет собой симметричный (дифференциальный) преобразователь – двигатель (рис. 5.19). Рис. 5.19. Электростатический излучатель дифференциального типа (схематическое устройство) Тонкая металлизированная мембрана 1 (около 10 - 20мкм.) из полимерного материала помещена между двумя перфорированными металлическими неподвижными электродами (НЭ). Между мембраной 1 и неподвижными электродами 2 приложено постоянное поляризующее напряжение U0 порядка нескольких киловольт, а между половинками НЭ подается переменное напряжение звуковой частоты u. Ширина воздушных зазоров δ между мембраной и НЭ может быть от 0,1мм (в ВЧ головках) до 1 –1,5мм (в широкополосных). С внутренней стороны НЭ для предотвращения пробоя покрывают изоляционным лаком. Величину силы F действующей на мембрану, можно определить как разность мгновенных значений сил F1 и F2 , действующих со стороны левого и правого электрода F F1 F2 Q0 q 2 Q0 q 2 2Q0 q 2ε 0 S 2ε 0 S ε0 S , (5.15) где Q0 – постоянная и q – переменная составляющие заряда. Коэффициент электромеханической связи дифференциального излучателя вдвое выше, чем у несимметричного, т.е. 2U 0 Кэм =F /i = Jωδ . (5.16) Таким образом, величина общего заряда мембраны при ее колебаниях остается неизменной (происходит лишь ее перераспределение), что делает зависимость между F и q в дифференциальных системах более линейной. Нелинейные квадратичные члены в выражениях для сил притяжения компенсируются, поэтому переменная составляющая напряжения u в таких системах не должна быть много меньше U0 , достаточно, если она будет меньше всего в несколько раз, во избежание потери динамической устойчивости мембраны [1 - 5]. При подаче на неподвижные электроды напряжения звуковой частоты, действующая на мембрану сила равномерно распределяется по ее поверхности, следовательно, вся поверхность совершает синфазные колебания. Благодаря этому в электростатических громкоговорителях и телефонах поршневой режим сохраняется до очень высоких частот. Электростатический громкоговоритель для воспроизведения низких частот должен иметь не только большую массу мембраны, но и большой зазор δ, т.к. амплитуда низкочастотных колебаний ξн мембраны должна быть достаточно велика. Увеличение зазора неизбежно приводит к резкому понижению чувствительности, что можно компенсировать только соответствующим увеличением площади излучения S1 . Это, в свою очередь, кроме конструктивных неудобств, приводит к сильному обострению направленности на высоких частотах. Поэтому для излучения широкого диапазона частот целесообразно применять совокупность электростатических головок, существенно отличающихся по размерам и воспроизводящих лишь часть диапазона при сохранении между ними постоянства отношения p/u. Электростатические излучатели обеспечивают очень высокое качество звука, обусловленное малыми переходными искажениями (на порядок, по сравнению с диффузорными головками) относительно легкой мембраны. Вместе с тем, электростатические головки обладают и рядом недостатков: низкой чувствительностью, обусловленной ограничениями величин U0 /δ и u /U0 , связанными как с электрической прочностью изоляции между неподвижными электродами и мембраной, так и динамической устойчивостью мембраны в электрическом поле; - необходимостью в источнике постоянного высоковольтного напряжения, а также высокого напряжения звуковой частоты, что усугубляется емкостной электрической нагрузкой усилителя. Это, в свою очередь, приводит к существенному усложнению усилителя и питающих устройств. Электретные преобразователи не требуют источника постоянного напряжения (см. главу 2), однако из-за ограничения величины их поверхностного заряда могут быть применены либо в ВЧ головках, либо в головных телефонах, т.е. там, где не требуется большая величина зазора. Еще одним типом преобразователей с электрическим полем, применяемым как в ВЧ головках, так и в телефонах, является пьезоэлектрический преобразователь на базе полимерной двусторонне металлизированной пьезопленки (см. главу 2). Встречается также, появившийся в середине прошлого века пьезоизлучатель на базе биморфного элемента. Достоинством пьезоизлучателей является простота конструкции и малая стоимость. В электрическом плане они обладают принципиально теми же свойствами, что и электростатические. Кроме излучателей с магнитным и электрическим полем несколько фирм выпускает плазменные излучатели (плазмотроны, ионофоны), в которых звук излучается за счет пульсаций в пространстве между двумя электродами объема воздуха, ионизированного в коронном разряде. Достоинством таких излучателей является безинерционное воспроизведение звука (как утверждают изготовители), т.е. отсутствие переходных искажений. Подводя итог сказанному, отметим, что в современных акустических системах применяются разнообразные типы излучателей. В качестве НЧ звена, как правило, используют электродинамические головки прямого излучения, часто с утяжеленным диффузором из полимерного материала или вспененного легкого металла. В качестве СЧ и ВЧ звена, наряду с головками прямого излучения и рупорными, применяют и нетрадиционные излучатели, каждый из которых обладает присущими ему достоинствами и недостатками. Контрольные вопросы к главе 5. 5.1. Что такое головка громкоговорителя (ГГ)? Какова ее функциональносистемная структура? 5.2. По каким признакам классифицируют громкоговорители? 5.3. Назовите основные параметры ГГ, характеризующие АЧХ и ХН. 5.4. Назовите основные типы электрических мощностей. 5.5. Расскажите об устройстве диффузорной головки ГГ прямого излучения. 5.6. Для чего нужно акустического оформления ГГ? Какие типы акустического оформления ГГ вы знаете? 5.7. Какие способы расширения диапазона в сторону высоких частот вы знаете? В чем их достоинства и недостатки? 5.8. Назовите основные физические причины нелинейных искажений в ГГ прямого излучения, методы их измерений. 5.9. Что такое акустические системы, контрольные агрегаты (мониторы)? Каково их устройство? 5.10. Что такое и как устроены звуковые колонки? Каковы их основные особенности? Какие еще типы групповых излучателей вы знаете? 5.11. Что такое и как устроены линейные массивы? Каковы их основные особенности? 5.12. Как устроены и для чего нужны рупорные громкоговорители (РГД)? Каковы основные их преимущества и недостатки? 5.13. Что такое интермодуляционные и параметрические искажения? Где и почему они возникают? 5.14. Каковы основные причины нелинейных искажений в РГД? 5.15. Какие нетрадиционные излучатели звука вы знаете?
