Акустические системы со сдвоенными головками заинтересовали в свое время немало радиолюбителей. Многие из них остановили свой выбор именно на таких АС и, судя по отзывам, довольны их звучанием. Интерес к сдвоенным головкам проявили и некоторые зарубежные фирмы. Например, в 1985 г. фирма "Jamo" рекламировала ряд новых АС, утверждая в рекламном проспекте, что их большая мощность и высокая верность воспроизведения при относительно небольших габаритах достигнуты благодаря применению сдвоенных головок. Однако отсутствие глубокого анализа и, главное, практических рекомендаций по конструированию АС с такими головками, а также появление в продаже современных низкочастотных компрессионных излучателей несколько снизили интерес радиолюбителей к сдвоенным динамическим головкам. Исследования последних лет позволили выявить новые достоинства этого вида излучателей. Кстати, оказалось, что его оптимальная конструкция та, в которой головки обращены диффузорами одна к другой, поэтому в дальнейшем речь пойдет только об этом варианте. Основные достоинства сдвоенной головки (по сравнению с одиночной) - более гладкая АЧХ, меньшие нелинейные искажения и меньший требуемый объем ящика акустического оформления. АЧХ сглаживается благодаря взаимному демпфированию головок, из которых составлена сдвоенная. Каждая одиночная головка в пределах допускаемых отклонений имеет свою, обусловленную технологией производства, неравномерность АЧХ, поэтому частоты пиков и провалов на их АЧХ не совпадают. В сдвоенной головке часть этих пиков и провалов взаимно компенсируются. Нелинейные искажения уменьшаются из-за того, что сдвоенная головка (в отличие от одиночной) представляет собой симметричную электромеханоакустическую систему. По этой причине сопротивление воздушной среды с ее обеих сторон практически одинаково, обусловленное конструктивными особенностями и свойствами материала различие гибкости подвеса у головок некоторых типов при движении диффузора вперед и назад отсутствует. Наконец, асимметрия распределения магнитной индукции в зазоре магнитной системы, отрицательно влияющая на уровень второй гармоники, в сдвоенной головке не проявляется.

Конечно, существуют и другие способы снижения нелинейных искажений АС. Для уменьшения четных гармоник шведская фирма "Audio-Pro", например, в низкочастотном блоке AC B4-2000 устанавливает две (из четырех) низкочастотные головки магнитными системами наружу. Однако рассредоточение излучателей порождает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности АС. Фирма "Jamo" нашла более совершенное решение. В низкочастотном звене она применила одну мощную сдвоенную головку, поместив ее на горизонтальной доске (см. рис. 1,а), под которой расположен рупор, направляющий звук в сторону слушателя и согласовывающий механическое сопротивление подвижной системы головки с воздушной средой. Что же касается объема ящика, то он уменьшается благодаря тому, что результирующая гибкость подвеса сдвоенной головки по сравнению с одиночной снижается вдвое. Масса же подвижной системы сдвоенной головки возрастает во столько же раз, поэтому частота основного механического резонанса не изменяется.

Для сохранения расчетной резонансной частоты сдвоенной головки в акустическом оформлении требуется ящик объемом, вдвое меньшим, чем для одиночной головки того же типа, что видно из следующих соотношений:

fя/fг=Sqr(Сг/Ся+1)

Cя=1,14V/Dэфф,

где fя и fг - резонансные частоты головки соответственно в ящике и открытом воздушном пространстве,

Сг и Ся - гибкость подвеса головки и воздуха в ящике,

V - объем ящика,

Dэфф - эффективный диаметр диффузора.

Поскольку значение Dэфф сдвоенной головки такое же, как и одиночной, для выполнения приведенных соотношений при уменьшении гибкости Сг в 2 раза необходимо уменьшить гибкость Ся, а следовательно, и объем V во столько же раз (по сравнению с двумя головками, установленными отдельно, объем уменьшится в 4 раза). Казалось бы, увеличивая число головок, работающих на одно отверстие АС, можно еще в большей степени уменьшить ее габариты. Однако на практике головки не удается сблизить настолько, чтобы их геометрические размеры не сказались на фазовых сдвигах звуковых волн, излучаемых крайними головками. В этом случае длина пути распространения звуковых волн от крайней внутренней головки до крайней наружной становится соизмеримой с длинами излучаемых волн, что в конечном счете приводит к вычитанию и искажению звуковых сигналов (вот почему нельзя сдваивать средне- и высокочастотные головки). Кроме того, снижение КПД в этом случае станет ощутимым.

Предлагаемая вниманию читателей АС представляет собой громкоговоритель-фазоинвертор с полезным внутренним объемом 50 л. В качестве низкочастотного излучателя применена сдвоенная головка, составленная из 6ГД-2, в качестве средне- и высокочастотного - соответственно 15ГД-11 и 6ГД-13. Сдвоенная головка установлена на наклонной доске (см. рис. 1, б), образующей вместе с боковыми и нижней стенками ящика рупор, который, по мнению автора, удачней направлен на слушателя, чем в АС фирмы "Jamo" (рис. 1, а). Кроме того, при таком расположении доски со сдвоенной головкой более рационально используется объем ящика, что позволило уменьшить габариты и массу АС.

Основные технические характеристики АС

Номинальная мощность: 12 Вт

Паспортная мощность: 30 Вт

Номинальное электрическое сопротивление: 4 Ом

Номинальный диапазон частот: 30 - 18000 Гц

Благодаря применению высокоэффективных низкочастотных головок 6ГД-2 громкость звучания при сравнительно небольшой номинальной мощности (12 Вт) не уступает промышленным АС типа S-90 при подводимой к ним мощности 30 Вт. Что же касается качества звучания, то большинство слушателей отдает предпочтение описываемой ниже АС.

Принципиальная схема изображена на рис. 2, конструкция показана на рис. 3. Ящик АС 3 изготовлен из древесно-стружечной плиты толщиной 20 мм, обклеенной бумагой, имитирующей ценные породы древесины. Сдвоенная головка 17 закреплена на доске 10, среднечастотная (12) и высокочастотная (16) головки - на передней стенке 4. Задняя стенка 15 - съемная.

Среднечастотная головка изолирована от остального объема ящика боксом 13, изготовленным из фанеры толщиной 10 мм и закрепленным на стенке 4 с помощью уголков 11 и шурупов. Туннель фазоинвертора 14 внутренним диаметром 50 и длиной 100 мм склеен из четырех слоев электрокартона толщиной 0,5 мм. В отверстии передней стенки 4 он закреплен с помощью клея. Выходное отверстие рупора сдвоенной головки 17 закрыто решеткой (дет. 1, 2), отверстия напротив средне- и высокочастотной головок - соответственно выпуклыми металлическими сетками 6 и 8 с кольцевыми декоративными обрамлениями 5 и 7. Рамка 1 согнута из полосы сечением 5х20 мм из алюминиевого сплава, прутья 2 диаметром 4 мм изготовлены из нержавеющей стали и вставлены на клею в отверстия, просверленные с шагом 20 мм в верхней и нижней сторонах рамки. Кольцевые обрамления отверстий под остальные головки, а также отверстия под туннель фазоинвертора согнуты из полосы сечением 5х10 мм из того же материала. Для крепления обрамления среднечастотной головки 5 предусмотрены четыре шпильки с резьбой М3, вставленные на клею в отверстия диаметром 3,2 и глубиной 7 мм, просверленные в торце кольца со стороны, обращенной к панели 4. До вырезания отверстия под головку 12 в передней стенке по наружному диаметру обрамления 5 с помощью кругореза с резцом и стамеской необходимо выбрать канавку шириной 20 и глубиной 2...3 мм. При сборке вначале закрепляют головку 12, затем с помощью проволочных скобок или гвоздей - сетку 6 и, наконец, устанавливают на место обрамление 5, которое дополнительно прижимает сетку к панели 4. Обрамление 7 высокочастотной головки 16 закрепляют в проточке передней панели клеем. Для придания АС соответствующего вида наружные торцы рамки 1 и обрамлений 5, 7 и 9 необходимо отполировать до зеркального блеска, а их боковые поверхности (как внутренние, так и наружные) - окрасить черной краской. В такой же цвет следует окрасить металлические сетки 6 и 8, внутренние поверхности туннеля фазоинвертора, рупора сдвоенной головки и всю площадь круга под сеткой 6, диффузородержатель нижней головки 6ГД-2, обращенную к слушателю часть диффузородержателя головки 12 и головки крепящих ее винтов. Катушки L1 и L2 разделительного фильтра намотаны проводом ПЭВ-2 1,3 на каркасах диаметром 35 и длиной 100 мм. Каждая из них содержит примерно по 460 витков (шесть слоев по 75-76 витков). Конденсаторы С1-С3 - МБГП, МБГО и т. п. При монтаже АС следует обратить особое внимание на полярность подключения головок 6ГД-2, так как в случае ошибки возникнет акустическое короткое замыкание. Наружная головка - ВА1. Для улучшения демпфирования сдвоенной головки внутреннюю поверхность ящика АС можно обклеить или обить звукопоглощающим материалом. Возможна замена головок 6ГД-2 на 8ГД-1, 15ГД-11- на 4ГД-8 или 5ГДШ-5-4, а 6ГД-13 - на 3ГД-2. Размеры ящика при такой замене сохраняются.

А. ЖУРЕНКОВ, г. Запорожье, из журнала «Радио»

В последнее время у части радиолюбителей получили признание акустические системы с открытым акустическим оформлением - щиты или неглубокие открытые ящики. Выпущена даже промышленная акустика по такой схеме, получившая высокую оценку специалистов. На фото показана известная система Jamo R909 .
Некоторые проблемы такого решения изложены в статье, мой перевод которой приведен ниже.

Предисловие

В начале своей эволюции акустические системы (АС) были только открытого типа. Затем, постепенно, но практически полностью произошел переход на закрытое оформление. Закрытыми АС будем считать фазоинверторы, бандпасы и другие варианты, т. е. оформления при которых лицевая сторона диффузора динамика прямо излучает в помещение, а тыльная в закрытый объём ящика или в помещение, но через резонаторы или другие конструкции, затрудняющие движение воздуха.

Закрытые оформления позволили резко уменьшить объем АС, кардинально расширить частотный диапазон вниз. Промышленность практически полностью перешла на выпуск динамиков именно для закрытых оформлений. Выросли целые поколения, которые ничего кроме ЗЯ и не слышали. Однако немало людей думает, что «вместе с водой выплеснули ребенка» т. к. считает, что звучание средних, главных для восприятия частот, ухудшилось.

Поэтому среди радиолюбителей и некоторых производителей акустики снова появился интерес к открытым акустическим оформлениям (далее для простоты будем называть их ОЯ). Проблема еще и в том, что специальных динамиков для ОЯ сегодня практически не выпускают т. к. они пользуются малым спросом, мелкие фирмы могут их производить для любителей, но из-за малого тиража они будут дорогими.

Хочу предложить вашему вниманию мой вольный перевод статьи Martin J. King «Designing a Passive Two Way Open Baffle Speaker System». Думаю, поднимаемые проблемы и их решения будут интересны.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Сайт-источник (En): by Martin J. King

Мой комментарий к статье

Конечно, мнение автора статьи не является непреложной истиной и не претендует на окончательное и полное решение проблемы, однако, она представляет интерес для любителей, интересующихся акустикой. Я не гарантирую полную точность перевода, но надеюсь, что основные положения изложил правильно.

Вызывает скептицизм отсутствие измерений с помощью микрофона и именно в домашних условиях. Интересно было бы узнать впечатления независимых слушателей-экспертов не «обработанных» автором конструкции. Но это только мои мечтания.

Читательское голосование

Статью одобрили 47 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

14.09.2012

Делаем сами акустическую колонку с двумя НЧ - СЧ головками

Опубликован частный материал про то как собрать акустическую систему с двойными СЧ или НЧ динамиками. Все описано простым языком для начинающих, но наше мнение остаеться тоже, что и было, лучше купите у нас.

Делаем сами акустическую колонку со сдвоенной головкой

Сдвоенная головка обладает некоторыми преимуществами по сравнению с одиночной. Например, у нее более гладкая амплитудно-частотная характеристика, нелинейные искажения меньше, нужный объем ящика акустического оформления тоже меньше.

Амплитудно-частотная характеристика сглаживается, так как головки, из которых состоит сдвоенная головка, взаимно демпфируются. У каждой одиночной головки в пределах допускаемых отклонений есть своя неравномерность АЧХ, обусловленная технологией производства, так что на АЧХ частоты пиков и провалов не совпадают. Часть этих пиков с провалами в сдвоенной головке взаимно компенсируются. Смотреть схему на рисунке №1.

Здесь нелинейные искажения уменьшаются, ведь сдвоенная головка - это симметричная электро-механоакустическая система, в отличие от одиночной. Из-за этого с ее обеих сторон сопротивление воздушной среды почти одинаковое. Оно обусловлено конструктивными особенностями головки, свойствами материала. У головок некоторых типов отсутствует различие гибкости подвеса при движении диффузора вперед или назад. В сдвоенной головке также не проявляется асимметрия распределения магнитной индукции, которая в зазоре магнитной системы и отрицательно влияет на уровень 2-й гармоники.

В низкочастотном звене требуется одна мощная сдвоенная головка. Ее можно поместить на горизонтальной доске, под которой расположен рупор, что направляет звук к слушателю и согласовывает механическое сопротивление с воздушной средой подвижной системы головки.

Объем ящика уменьшается, ведь результирующая гибкость подвеса такой головки снижается вдвое по сравнению с одиночной. А масса подвижной системы сдвоенной головки увеличивается в такое же количество раз. Именно поэтому не изменяется частота основного механического резонанса.

Может показаться, что увеличение числа головок, которые работают на одно отверстие АС, еще в большей степени позволяет уменьшить ее габариты. Но практически не получается сблизить головки настолько, чтобы геометрические размеры не отразились на фазовых сдвигах волн звука, которые излучаются крайними головками. Длина пути распространения волн, если считать от крайней внутренней до крайней наружной головки, соизмерима с длинами излучаемых волн. А это в итоге приводит к тому, что звуковые сигналы вычитаются и искажаются. Кстати, именно поэтому нельзя сдваивать среднечастотные и высокочастотные головки. К тому же, в данном случае станет ощутимым снижение КПД.

Итак, предлагаем читателям АС - громкоговоритель-фазо-инвертор, полезный внутренний объем которого - 50 л. Здесь применена сдвоенная головка из 6ГД 2 как низкочастотный излучатель. А как средне- и высокочастотный используются, соответственно, 15ГД-11, 6ГД-13. Вы также можете подобрать и другие динамики . Установлена сдвоенная головка на наклонной доске, ведь такое расположение доски со сдвоенной головкой позволяет рациональнее использовать объем ящика, а это уже позволяет уменьшить габариты АС и ее массу.

Главные технические характеристики АС таковы:

Номинальная мощность равна 12 Вт

Паспортная мощность - не менее 30 Вт

Номинальный диапазон частот - 30-18000 Гц

Номинальное электрическое сопротивление здесь 4 Ом.

Так как применяются высокоэффективные низкочастотные головки 6ГД-2, то при небольшой номинальной мощности (а именно, 12 Вт) громкость звучания не уступает промышленным АС, мощность которых 30 Вт. А ели говорить о качестве звучания, то большинство людей предпочитает АС, которая описывается ниже. Принципиальная схема АС изображена на рисунке № 2, а конструкция изображена на рисунке №3.

Ящик у АС (3) сделан из древесно-стружечной плиты, толщина которой 2 см, обклеенной бумагой, которая имитирует ценные породы древесины. В ней сдвоенная головка (17) закрепляется на доске (10), а среднечастотная головка (12) и высокочастотная (16) закрепляются на передней стенке (4). Что касается задней стенки (15), она съемная. От ящика среднечастотная головка изолирована боксом (13), который изготовлен из фанеры толщиной 1 см и закреплен на стенке (4) при помощи уголков (11) и шурупов.

Выходное отверстие у рупора сдвоенной головки (17) закрывается решеткой (дет. 1, 2), а отверстия, которые находятся напротив среднечастотной и высокочастотной головок, —выпуклыми металлическими сетками (соответственно, 6 и 8) вместе с кольцевыми декоративными обрамлениями (соответственно, 5 и 7). Рамку (1) согнули из полосы из алюминиевого сплава, сечение которой 5 х 20 мм. У прутьев (2) диаметр - 4 мм. Они изготовлены из нержавеющей стали, затем вставлены с помощью клея в отверстия, которые просверлены в верхней и нижней стороне рамки с шагом 2 см.

Отверстия под туннель фазоинвертора и кольцевые обрамления отверстий для остальных головок согнуты из полосы из того же материала сечением 5 х 10 мм. Обрамление среднечастотной головки (5) крепится с помощью четырех шпилек с резьбой МЗ, которые вставлены при помощи клея в отверстия, у которых диаметр 3,2 мм, глубина 7 мм. Отверстия просверлены в торце кольца с той стороны, которая обращена к панели (4). Перед вырезанием отверстия под головку (12) надо в передней стенке выбрать по наружному диаметру обрамления (то есть, 5) канавку шириной 20 мм, глубиной 2-3 мм с помощью кругореза с резцом, стамеской. Начиная собирать конструкцию, сначала закрепляют головку (12), потом при помощи проволочных скобок или гвоздей закрепляют сетку (6), а уже затем устанавливают на свое место обрамление (5), дополнительно прижимающее сетку к панели (4). Также в проточке передней панели закрепляют обрамление (7) высокочастотной головки (то есть, 16) при помощи клея.

Чтобы придать АС нормальный вид, наружные торцы рамки (1), обрамлений (5, 7, 9) требуется отполировать до блеска, а также окрасить черной краской их боковые поверхности (и внутренние, и наружные). В черный цвет нужно окрасить также металлические сетки (то есть, 6, 8), а еще внутренние поверхности туннеля фазоинвертора, поверхности рупора сдвоенной головки, также диффузородержатель нижней головки, а именно 6ГД-2, а еще всю площадь круга, что под сеткой (6), часть диффузородержателя головки (12), обращенную к слушателю, головки винтов, которые крепят ее.

Катушки L1, L2 из разделительного фильтра намотаны на каркасах с помощью провода ПЭВ-2 1,3. У каркасов диаметр 35 мм и длина 100 мм. У каждой приблизительно по 460 витков (а именно 6 слоев где-то по 75-76 витков).

Что касается конденсаторов C1, C3 — это МБГП, МБГО и подобные.

Монтируя АС, надо обратить внимание на то, с какой полярностью подключаются головки 6ГД-2, ведь при ошибке возникает акустическое короткое замыкание. При этом наружная головка — это ВА1.

Чтобы улучшить демпфирование сдвоенной головки, можно обклеить внутреннюю поверхность ящика АС звукопоглощающим материалом или же обить ее этим материалом.

Можно головку 6ГД-2 заменить на 8ГД-1, головку 15ГД-11 заменить на 4ГД-8 либо 5ГДШ-5-4, головку 6ГД-13 заменить на 3ГД-2. При этой замене размеры ящика сохраняются.

Может показаться странным, но динамик в основном характеризуют три параметра, предложенный Тиллем и Смоллом :

Fs - это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления. Она так и измеряется - динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик - массы подвижной системы и жесткости подвески.
Qts - отношение передаточной функции динамика на частоте Fs к передаточной функции на частотах, где амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) динамика горизонтальна, т.е. на частотах выше Fs. Другими словами, Qts -характеризует эффективность динамика на резонансной частоте.
Vas - объем воздуха, который обладает гибкостью (величина обратная упругости) такой же, как и подвижная система динамика.

При размещении динамика в закрытом ящике (ЗЯ) гибкость воздуха внутри ящика добавляется к гибкости подвижной системы динамика и его резонансная частота изменяется. Существует следующая закономерность, при помещении динамика в ящик объемом Vas его резонансная частота Fs и добротность Qts возрастают в 1,4 раза.Измерить эти параметры при первый взгляде на конструкцию довольно геморойно, но проделав это один раз - все сомнения пропадают - всё оказывается достаточно просто.

Для начала надо подготовиться:

ЗЯ я сразу отмёл - зачем мне колонка с низким КПД? Динамик и так не самый мощный - номинал 50Вт, максимальная 75Вт. К тому же внутри колонки нехилое давление создается, что требует особой герметичности. И параметр Fs/Qts не подходит для моего динамика. Правда, ЗЯ это и самый маленький ящик из всех - что может оказаться иногда важным.
ФИ я не захотел делать по трем причинам:1) надо супер ровную дырку делать и потом чем-то её закрывать, иначе мой ребенок сразу приговорит динамик 2) надо ставить фильтр для обрезания частот свыше 200Гц, иначе 75ГДН дальше звучит совсем не cool. 3) нормальный спад на низах получался при диких размерах ящика 120-150л(еще один шкаф в квартире), меня бы жена выперла вместе с этим сабвуфером:) НО! Fs/Qts=74, т.е. динамик наиболее подходит для ФИ, а низы классные дает при этом, только вот РАЗМЕР 8(. Тут надо учесть, что для одиночных бандпассов подходят практически те же динамики, что и для фазоинверторов.
Бандпасс мне подошел и понравился больше всего. Фильтр делать не надо - сам корпус фильтрует. Динамик внутри спрятан - не проткнешь. И расчеты в программах показали наилучшие результаты при уместном размере...

Расчет и проектирование ящика.

Расчеты показали у Бандпасса относительно неплохие размеры и неплохой спад на низах, однако всё равно спад сильно зависел от объема и пришлось идти на компромисс, немного уменьшив ящик до 65л. Расчеты я провел сразу в трех программах, дабы проверить верность того, что я соорудил. Результаты практически сошлись. Я использовал WinISD 0.44 , WinISD Pro Aplha и JBL SpeakerShop или BassBox (найдите 10 отличий называется). Понравилась мне больше всего первая прога, вторая была жутко глючной (на то она и Alpha), но в некоторых отношениях полезной, третья - просто подтвердила мои расчеты (у неё очень неудобный интерфейс - плохо менять параметры на лету, подбирая значения для размера камер и фазоинверторов, а после каждой загрузки нужно в метрическую систему переключаться). Итак чего получилось - смотрим графики (взять файлы проектов можно будет далее).

Частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки;

Добротность электромеханической системы громкоговорителя. Это очень важная характеристика. Она показывает степень инерционности системы - как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора;

Номинальный диапазон частот, т.е. частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет норме;

Среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;

Характеристическая чувствительность;

Неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или при необходимости в каком-либо ином) диапазоне частот. У хороших громкоговорителей она не превышает 3-4 дБ;

Частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;

Направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;

Коэффициент гармоник (обычно 3-й гармоники и выше) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала, в котором никаких гармоник нет;

Коэффициент интермодуляционных искажений. Об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал, содержащий две частоты 100 и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некорректно называемые комбинационными гармониками) с частотами, соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800, 1200 , 600, 1400 Гц и т.д. Чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.

Из нескольких параметров мощности наиболее важны следующие:

Номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданного предела;

"музыкальная мощность", называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает при реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого времени;

Пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель при шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1n) без повреждений;

Рупорные излучатели. Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причина этого заключается в несогласованности сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно увеличивать размеры излучателя, но это повлечет рост механического сопротивления массы излучателя и не даст выигрыша в КПД. Поскольку диффузор выполняет две функции: преобразования механических колебаний в акустические и излучения этих колебаний в окружающую среду, разрешить такое противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях, Рупор служит также для согласования сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором называют трубу с переменным сечением. Входное отверстие излучающего рупора (горло) меньше, чем выходное (устье). Выходное отверстие является излучателем, а входное - нагрузкой для механической системы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система - небольшой и потому легкой.

Виды рупоров: а - сдвоенный; б - секционированный.

Рупоры применяют с различным законом изменения поперечного сечения. Наиболее распространены рупоры экспоненциальные; реже применяются конические, так как они имеют значительно менее равномерную амплитудно-частотную характеристику. Для острой направленности и более низкой границы передаваемого диапазона частот следует увеличивать выходное отверстие рупора и выбирать рупор большей длины. Для увеличения длины рупор часто свертывают или складывают. С аналогичными явлением мы сталкиваемся в духовых музыкальных инструментах: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.

Для концентрации или расстояния звуковых волн применяются акустические линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве). К недостаткам рупора можно отнести нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора, а также частотные искажения в рупорах конической формы. Рупорные электродинамические громкоговорители имеют два конструктивных варианта: узко- и широкогорлые. Площадь входного отверстия рупора в узкогорлых громкоговорителях в несколько раз меньше площади поршневой диафрагмы, в широкогорлых - эти площади или одинаковы, или близки друг к другу.

Таковы основные технические параметры громкоговорителей. Следует заметить, что обращаться с паспортными данными следует осторожно. Некоторые производители иногда называют, например, диапазон воспроизводимых частот без указания на неравномерность характеристики; при этом может выясниться, что заявленный нижний порог в 25-30 Гц обеспечивается лишь при падении давления на 10 дБ и более, что фактически является фальсификацией.

Хотелось бы отметить, что за 80 лет с момента изобретения динамического задача - передать звучание симфонического оркестра, ансамбля, голоса и др., - можно только удивляться и восхищаться гениальностью конструкции самого громкоговорителя аудиотехника проделала огромный путь: от фонографа до DVD - а громкоговоритель конструктивно принципиально не изменился. Радикально изменилась только технология его изготовления и материалы. Учитывая, что перед такой простой конструкцией (состоящей всего из нескольких элементов: диафрагмы, катушки и магнитной цепи) стоит огромная массового акустического изделия, миллиарды экземпляров которого используются во всем мире.

Акустические системы

От характеристик громкоговорителей перейдем к составляемым из них акустическим системам. К сожалению, отечественная терминология еще не устоялась и не соответствует зарубежной. Так, собственно "динамики" в нашей терминологии, особенно в старых ГОСТах, именуются "головками", а акустические системы - "громкоговорителями". В современной профессиональной и коммерческой среде используют термин "акустическая система", причем бытовые акустические системы называют по обиходному "колонками", а профессиональные студийные акустические системы "мониторами". Некоторые, запутавшись, просто перешли на транслитерацию с английского - "спикер", в их устах вовсе не председатель Думы, а динамик "вообще". При этом низкочастотный "спикер" - это "вуфер" или "субвуфер", среднечастотный - "драйвер", а высокочастотный - это "твиттер", но для него есть и русское определение "пищалка" (кстати, точный перевод слова tweeter).

Идеальная акустическая система должна иметь только один широкополосный громкоговоритель, воспроизводящий полную полосу частот 20-20000 Гц. Однако, так как к громкоговорителю предъявляют различные, а зачастую взаимоисключающие требования при работе его в различных полосах частот, сделать такой идеальный громкоговоритель практически невозможно, по крайне мере за приемлемую цену. Поэтому подавляющее большинство современных акустических систем имеют по две и более головки, работающих в различных полосах частот. Низкочастотный громкоговоритель - всегда диффузорный динамик, среднечастотный- тоже, но иногда бывают среднечастотные рупорного типа (horn). Высокочастотные громкоговорители производятся как диффузорные, так и рупорные и купольные (dome, bullet). Двухполосная система используется обычно для так называемых "мониторов ближнего поля", т.е. располагающихся непосредственно вблизи головы звукорежиссера. Один динамик в такой системе воспроизводит низкие и средние частоты, другой - высокие. Для разделения частот внутри корпуса находится разделительный фильтр (в зарубежной терминологии crossover). При этом частота разделения входного электрического сигнала для подачи на низкочастотный и высокочастотный динамики выбирается несколько выше, чем нижняя граница диапазона высокочастотного громкоговорителя. Учитывается также номинальная мощность ВЧ-громкоговорителя. Гораздо лучше воспроизводят слышимый диапазон частот 3-х полосные системы, состоящие из низкочастотного громкоговорителя (woofer), среднечастотного (mid-driver), и высокочастотного (tweeter). Работа в ограниченном диапазоне "своих" частот улучшает звучание низко- и средне- частотных динамиков и снижает искажения, т.к. генерируемые этими динамиками гармоники высокого порядка оказываются выше частоты среза фильтра и соответственно подавляются.

Акустическое оформление

П
ередняя и задняя поверхности колеблющегося поршня излучают колебания в противофазе: когда передняя поверхность в момент времени t 1 создает сжатие среды, то противоположная поверхность поршня, в этот же момент t 1 , создает разрежение.

Сжатие и разрежение распространяются в разные стороны (Рис.18.6). При определенных условиях, огибая поршень, волны интерферируют с колебаниями возникшими с противоположной стороны (фазы) и их сумма стремится к нулю. Это явление называют - акустическим коротким з амыканием (АКЗ). Возникновение АКЗ уменьшает отдачу акустической мощности излучателя (поршня) в области тех частот, при которых длина излучаемой волны велика по сравнению с размерами поршня (условия дифракции). Это явление возникает на низких частотах НЧ звуковой волны.

Чтобы избежать АКЗ на низких частотах, необходимо установить экран, чтобы колебания из области сжатия не огибали поршень и исключили явление интерференции. Экран устанавливается в сочетании с излучателем. Такой прием получил название акустического экранного оформления (оформление). Простейшим видом оформления является щит (Рис.18.7). Чтобы полностью устранить АКЗ, необходимо установить щит, у которого линейные размеры плоскости были больше половины длины звуковой НЧ волны λ:

d > λ/2; (6.1.1)

Стандартный акустический экран по ГОСТ 16122-84 имеет размер 1350 х 1650 м.

Закрытый ящик (ЗЯ, Closed Box) это оформление второго порядка (рис.6.1.3 А и рис. 6.1.4). По сравнению с другими видами нагруженного оформления менее чувствителен к отклонениям характеристик. Основные его плюсы: прекрасная импульсная характеристика.Это теоретически позволяет получить плоскую АЧХ. Недостаток = низкий КПД, что требует повышенной мощности усилителя, и повышенный уровень четных гармоник из-за несимметричной нагрузки диффузора.

А – закрытый ящик, Б – фазоинвертор, В – пассивный излучатель

Ч
астота резонанса и полная добротность головки при установке в закрытый ящик объемом Vc, соизмеримым с эквивалентным Vas, увеличиваются. Таким образом, при установке головки в ЗЯ с объемом, равным эквивалентному, ее резонансная частота и добротность увеличиваются в 1,41 раза, в ящике объемом 0,5Vas = в 1,73 раза и так далее.

Следующий по распространенности тип акустического оформления – фазоинвертор. Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше. Из всех возможных конструкций систем двойного действия наибольшее распространение получил фазоинвертор (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex). Это резонансная система. Заключенная в ФИ масса воздуха на частоте его настройки ведет себя подобно диффузору, являясь источником звуковых колебаний. Пассивный излучатель - это разновидность ФИ, в котором масса воздуха в туннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя В качестве пассивного излучателя чаще всего используют обычную динамическую головку, иногда с удаленной магнитной системой.

Конструктивно он выполнен в виде закрытого ящика с двумя отверстиями

В одном отверстии размещается излучатель (поршень), другое отверстие свободное, и имеет конструкцию в виде небольшой трубы объемом V. Частота фазоинвертора ƒ ф, (Рис.18.10).

При медленных колебаниях (8Гц - 10Гц) пружина С в (Рис.18.10). соединяющая обе массы m, не успевает деформироваться, так как у нее большое упругое сопротивлениеz :

z=1/(ω·С в); (18.1)

В результате обе массы m п и m в двигаются с одинаковой фазой. При этом волна, излучаемая отверстием, сдвинута на 180 o по фазе по сравнению с волной, излучаемой поршнем. Повышение частоты приводит к уменьшению упругого сопротивления воздуха в ящике и пружина С в начинает деформироваться. В результате между колебаниями обоих масс m п и m в возникает фазовый сдвиг, возрастающий с повышением частоты и достигающий на частоте резонанса ящика 180 o . Таким образом, воздух в отверстии и поршень колеблются в противофазе, а волны, излучаемые ими, будут синфазными и интерферируя усиливают друг друга. Частоту резонанса фазоинвертора ƒ ф, как правило, выбирают равной частоте резонанса ƒ 0 головки (поршня), т.е. в области НЧ рабочего диапазона (Рис.18.10). При дальнейшем увеличении частоты излучение звука отверстием не происходит, так как инерционное сопротивление воздуха в отверстии ω·m в становится чрезвычайно большим. При этих частотах фазоинвертор аналогичен закрытому ящику. Внутренние поверхности фазоинвертора также, как и ящика, покрывают звукопоглощающим материалом.

Рисунок 18.11

На схеме рис. 18.11 усилитель мощ­ности, являющийся для громкоговорителя источником сигнала, с на­пряжением открытой цепи и выходным сопротивлением пре­образован в генератор напряжений, имитирующий генератор с вы­ходным значением акустического давления, после генератора полное сопротивление, представляющее собой сумму активного сопротивления звуковой катушки и выход­ного сопротивления усилителя. M as - акустическая масса подвижной системы, присоединенная масса воздуха с передней и тыльной стороны диофрагмы. С а s - акустическая гибкость подвесов. R as - акустическое сопротивление подвижной системы. M av - акустическая масса воздуха в фазоинверсной трубе.

Акустическая нагрузка. Диффузор динамической головки в закрытом оформлении испытывает существенно отличающееся сопротивление при движении вперед и назад. Асимметричность нагрузки является потенциальным источником нелинейных искажений. Поэтому еще в середине 70-х годов появились акустические системы, в конструкции которых этот недостаток устранялся введением дополнительной акустической нагрузки для передней поверхности диффузора. Аналогичные решения можно использовать и для ограничения амплитуды колебаний диффузора в системах двойного действия. Надежных методик расчета акустической нагрузки нет, необходим эксперимент.

Рисунок 18.12

Акустическую нагрузку можно реализовать различными способами. В простейшем случае (рис.18.12 А) перед диффузором размещается отражающая поверхность (Reflex Body). Однако такое решение ухудшает чувствительность АС и ее АЧХ на средних частотах. В некоторых современных конструкциях для улучшения АЧХ и диаграммы направленности служит тело вращения чечевицеобразной формы (рис.18.12 Б). С этой же целью можно использовать отражающую поверхность, расположенную под углом (рис.18.12 В). Клиновая нагрузка отчасти играет роль короткого рупора, что способствует акустическому усилению определенного диапазона частот. Как дальнейшее развитие этой идеи появились акустические системы с резонатором (рис.18.12 Г). После этого оставалось сделать только один шаг к конструкции полосовых громкоговорителей.

П
олосовые громкоговорители. Общая черта всех конструкций полосовых громкоговорителей (bandpass) - наличие одной или нескольких резонансных камер и установка динамической головки внутри корпуса. Поскольку эти системы уже не являются системами прямого излучения, их расчет и изготовление весьма сложны. Поэтому распространение получили в основном конструкции четвертого порядка (рис. 18.13 А). Полосовые громкоговорители шестого (рис.18.13.Б,В) и восьмого (рис.18.13.Г,Д) порядка встречаются реже.

Рисунок 18.13

Полосовые громкоговорители: А – закрытый ящик-резонатор, Б – фазоинвертор двойного действия, В – фазоинвертор последовательного действия, Г – фазоинвертор последовательного двойного действия, Д – фазоинвертор-резонатор последовательного двойного действия

Полосовое акустическое оформление используется исключительно для сабвуферов. Достоинство полосового громкоговорителя - высокий КПД, импульсные же и фазовые характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка. Для всех конструкций, кроме закрытого ящика-резонатора, желательно применение фильтра инфра-низких частот (как и для классического фазоинвертора).

Помимо рассмотренных конструкций полосовых громкоговорителей с одной динамической головкой известны также АС, имеющие две головки. Конструкция получена объединением двух одинаковых полосовых систем. Одна из камер становится общей, ее объем при этом удваивается. На (рис.18.14 А,Б)показаны два варианта оформления четвертого порядка, на рис.18.14 В – шестого.

О
дно из достоинств подобных конструкций состоит в том, что они не требуют специального монофонического канала усиления: каждую головку можно подключить к своему каналу стереофонического УМЗЧ.

Рисунок 18.14

Сдвоенные головки. Практически во всех рассмотренных конструкциях можно использовать сдвоенные динамические головки. Для этого однотипные головки устанавливаются одним из показанных на рис.18.15 способов. Получившуюся конструкцию можно рассматривать как новую низкочастотную динамическую головку с совершенно другими свойствами. Теоретические значения полной добротности и частоты основного механического резонанса получившейся системы рассчитываются как среднее геометрическое от соответствующих величин исходных головок. Поскольку при сдваивании обычно используются однотипные головки с достаточно близкими параметрами, можно считать, что эти параметры практически не изменятся. Однако заключенный между диффузорами головок связанный объем воздуха увеличивает эффективную массу подвижной системы, понижая частоту основного механического резонанса головок больших размеров до 80% от исходной.

Рисунок 18.15 Установка сдвоенных головок: А - лицом к лицу, Б - спина к спине, В - в затылок, Г - со связанным объемом

До настоящего времени основным материалом для изготовления корпусов акустических систем остается древесина. При этом учитывается, что дерево обладает собственными акустическими свойствами, а внесение корпусом собственных призвуков нежелательно. С ними борются как специальными гасящими конструкциями, так и применением вместо сплошной "чистой" древесины древесно-стружечной плиты (ДСП), столь нелюбимой нами в мебели. ДСП не имеет какой-либо структуры (каковой являются линейные волокна дерева), поэтому меньше подвержена резонансам. Снаружи ДСП отделывается разными покрытиями, в том числе имитирующими дерево (фанеровка), но эта отделка носит чисто декоративный характер.

Наряду с традиционным использованием дерева продолжаются попытки использования иных материалов - пластика, металла, камня. Существует довольно большое число пластиковых акустических систем, как правило, небольшого размера (ближнего поля), звучащих достаточно приемлемо и дешевых в силу технологичности изготовления корпусов. Однако попытки создания пластмассовых корпусов акустических систем большого размера пока не увенчались успехом (с точки зрения акустики, разумеется, а не "ящикостроения"). Дело в том, что большой корпус должен обладать и большой массой, иначе в нем начинают "гулять" такие резонансы, что их подавление обходится гораздо дороже, чем, например, в деревянном корпусе.

Довольно эффективны и в последнее время популярны металлические корпуса акустических систем. Это связано, в частности, с широким использованием в студийной практике компьютеров с традиционными электронно-лучевыми кинескопами мониторов, на которые плохо влияют магниты динамиков, если те находятся слишком близко. Металлический корпус акустической системы является в данном случае экраном. Кроме того, металл технологичен в изготовлении и обеспечивает необходимую по акустическим требованиям жесткость.

Интересные результаты дает и использование камня. Тут о технологичности изготовления корпусов говорить не приходится, но акустические результаты оказываются превосходны. Впрочем, проблема решается компромиссом - применением синтетического материала, позволяющего соединить простоту производства корпуса с массивностью и жесткостью камня.

Однако, несмотря на активные поиски новых материалов, основным остается "старое доброе" дерево.

Долгое время традиционное расположение динамиков на передней стенке корпуса в виде "снеговика" (внизу низкочастотный громкоговоритель, в середине - среднечастотный, и наверху - высокочастотный) устраивало пользователей. Однако было замечено, что расстояние от центров разных динамиков до слушателя часто различно, и звуки от них доходят до слушателя не строго синфазно. Величина несинхронности чрезвычайно мала, но проблема существует. Решение было найдено в различных типах так называемых коаксиальных, находящихся на одной оси, громкоговорителях. В простейших случаях высокочастотный динамик закреплялся перед центром конуса низкочастотного диффузора, но, естественно, без физического соприкосновения с ним. Другой, более сложный, но и более изящный способ создания точечного излучателя предложила известная английская фирма Tannoy. В их, теперь уже классической системе, мембрана высокочастотного динамика находится сзади магнита низкочастотного динамика. В керне низкочастотного громкоговорителя проделаны каналы, по которым воздушное давление от высокочастотной мембраны проходит в направлении излучения низкочастотного диффузора, являющегося к тому же рупором для высоких частот. Так достигается идеальная точечность излучения.

Ранее упоминалось, что на высоких частотах диффузоры, особенно большие, колеблются в основном центральной частью, прилегающей к катушке. Это свойство было использовано при создании широкополосных громкоговорителей, популярных в профессиональной технике два-три десятилетия назад и встречающихся и поныне. В этих громкоговорителях в центральную часть диффузора вклеивался дополнительный микродиффузор, работавший как коаксиальный высокочастотный громкоговоритель. Конечно, результат был далек от качества настоящих коаксиальных систем, но отдача на высоких частотах у этих широкополосных динамиков действительно существенно улучшалась.

Современное производство предельно стандартизовано. Сложились стандарты и на размеры громкоговорителей - от мала до велика. Современные динамики принято мерить в дюймах, и это удобно: получается не только размер, но как бы и "номер изделия".

Даже для мощной акустики не применяются динамики больше 21", да и восемнадцатидюймовые встретишь не часто. Далее по порядку идут 15", 12", 10" и 8".

Среднечастотные - 8", 6,5" и 5". Высокочастотные - 4", 2,5" и 1,5". Впрочем, размеры диффузора имеют значение в основном для низкочастотных громкоговорителей, напрямую влияя на нижнюю границу диапазона и уровень звукового давления.

Реальную звуковую картину могут представить только большие акустические системы (контрольные мониторы) "дальнего поля", звучащие равномерно по всему диапазону частот и не перегружающиеся при рекомендованном уровне прослушивания (около 90 дБ).

Характеристики направленности

Как следует из теории акустики, идеальным источником звука является "точечный" излучатель, то есть такой излучатель, размерами которого по сравнению с длиной излучаемой им звуковой волны можно пренебречь. К сожалению, реальные акустические системы весьма далеки от такого идеального излучателя и, более того, имеют различную диаграмму направленности для разных частот звукового сигнала. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя определяется отношением длины волны излучаемого им звукового сигнала и геометрического размера (диаметра) диффузора громкоговорителя. Кроме того, диаграмма направленности в области совместного действия излучения двух громкоговорителей АС зависит от взаимного фазового сдвига их сигналов, определяемых схемой разделительного фильтра акустической системы.

Сегодня в «колонкостроении» существует два подхода, связанных с направленностью акустических систем. Приверженцы первого из них утверждают: система должна быть остронаправленной, для того чтобы исключить вредные отражения звука. По этой логике остронаправленные колонки обязаны доставить звуковую информацию точно в зону прослушивания без нежелательных «примесей» в виде отражений от стен и различных предметов. Общеизвестными примерами могут служить колонки, построенные на остронаправленных коаксиальных динамиках (Tannoy, KEF). Коаксиальные двухполосные излучатели представляют собой собранные на единой магнитной системе среднечастотный и высокочастотный громкоговорители. Купольная "пищалка" собрана на внутреннем керне магнитной системы и находится внутри конусного диффузора среднечастотного громкоговорителя, который является своеобразным рупором-звуководом для звуковых волн, излучаемых "пищалкой". Такие излучатели обладают рядом уникальных особенностей, заметно выделяющих их из массы других громкоговорителей. Во-первых, благодаря используемой конструкции, центры излучения ВЧ и СЧ-громкоговорителей находятся практически в одной точке, что исключает возникновение фазовых и временных искажений излучаемых ими сигналов. Во-вторых, так как излучение средних и высоких частот физически осуществляется из одной точки пространства (условно), излучатели типа Uni-Q имеют хорошую диаграмму направленности на этих частотах благодаря этим серьезным преимуществам, звучание акустических систем с коаксиальными излучателями характеризуется отличной локализацией источников звука в пространстве. В европейских колонках встречаются схемы D"Appolito, в которых твитер расположен между двумя одинаковыми НЧ/СЧ-головками, - это обостряет направленность на ряде частот, снижая количество звуковых переотражений от пола и потолка. В дорогих колонках подчас встречаются целые гирлянды твитеров, призванные ювелирно фокусировать высокие частотыДиаметрально противоположный подход - ненаправленные акустические системы, или акустика с круговой направленностью. Такие громкоговорители, в силу своей конструкции, в полной